專(zhuān)利名稱(chēng)：電子束裝置和使用其的圖像顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于平板顯示器中的具有發(fā)射電子的電子發(fā)射器件的電子束裝置，并 且涉及使用該電子束裝置的圖像顯示裝置。
背景技術(shù)：
常規(guī)上，存在這樣的電子發(fā)射器件，其中，從陰極發(fā)射的大量電子與相對(duì)的柵極碰 撞并且散射的電子被取出。疊層型電子發(fā)射器件是這些電子發(fā)射器件中的一種類(lèi)型，其在 電子發(fā)射單元附近的絕緣層上具有凹部(凹陷部分)，并且，該疊層型電子發(fā)射器件被在日 本專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2001-167693中公開(kāi)。

發(fā)明內(nèi)容
在絕緣層上具有凹部的疊層型電子發(fā)射器件中，由于庫(kù)侖力在柵極和陰極之間產(chǎn) 生吸引力，并且存在會(huì)出現(xiàn)柵極的變形并且電子發(fā)射特性會(huì)改變的可能性。并且，當(dāng)柵極變 形時(shí)，存在柵極和陰極之間的距離改變以進(jìn)一步增加?xùn)艠O和陰極之間的吸引力并且柵極進(jìn) 一步變形的問(wèn)題。本發(fā)明的目的是解決上述的問(wèn)題，并且在具有疊層型電子發(fā)射器件的電子束裝置 中，防止柵極變形，由此減少電子發(fā)射特性的變化，并防止元件被破壞。在一個(gè)方面中，本發(fā)明旨在一種電子束裝置，該電子束裝置包括在其表面上具有凹部的絕緣部件；位于絕緣部件的表面上的柵極；具有從凹部的邊緣向柵極突起的突起部分的陰極，該突起部分位于絕緣部件的表 面上以與柵極相對(duì)；和被配置為與突起部分相對(duì)的陽(yáng)極，柵極被插入突起部分和陽(yáng)極之間，其中，滿(mǎn)足以下的條件L/h ^ 0. 8X ((2Xd3XY)/(27XclX ε 0 X (dXX/T2) X Vf2)) L0/3，和2. 7XT2 ^ L,這里，ε 0[F/m]是真空介電常數(shù)，Y[Pa]是柵極的楊氏模量，Vf [V]是在柵極和陰極之間施加的電壓，d[m]是柵極和陰極的突起部分之間的最小距離，dav[m]是柵極和陰極的突起部分之間的距離的平均值，負(fù)載系數(shù)cl = 0.94X (d/dav)L78,h[m]是柵極的膜厚，T2[m]是絕緣部件的具有凹部的部分的厚度，L[m]是從柵極的外表面到凹部的內(nèi)表面的距離，和
X[m]是陰極進(jìn)入凹部的進(jìn)入距離。在另一方面中，本發(fā)明旨在一種電子束裝置，該電子束裝置包括在其表面上具有凹部的絕緣部件；位于絕緣部件的表面上的柵極；具有從凹部的邊緣向柵極突起的突起部分的陰極，該突起部分位于絕緣部件的表面上以與柵極相對(duì)；和被配置為與突起部分相對(duì)的陽(yáng)極，柵極被插入突起部分和陽(yáng)極之間，其中，滿(mǎn)足以下的條件L≤ 0. 8X ((2Xd3XY)/(27XclX ε OX ( d X X / T2) XVf2))10/3X hi X (0. 5+0. 5 X (h2/hl)0.5)，和
2. 7XT2≤ L,這里，ε 0 [F/m]是真空介電常數(shù)，Y[Pa]是柵極的楊氏模量，Vf [V]是在柵極和陰極之間施加的電壓，d[m]是柵極和突起部分之間的最小距離，dav[m]是柵極和突起部分之間的距離的平均值，負(fù)載系數(shù)cl = 0. 94X (d/dav)1.78，hl[m]是柵極的凹部?jī)?nèi)表面上的位置的膜厚，h2[m]是柵極的外表面上的膜厚，T2[m]是絕緣部件的具有凹部的部分的厚度，L[m]是從柵極的外表面到凹部的內(nèi)表面的距離，和X[m]是陰極進(jìn)入凹部的進(jìn)入距離。在另一方面中，本發(fā)明旨在一種圖像顯示裝置，該圖像顯示裝置包括上述的電子束裝置；和被定位為層疊于陽(yáng)極上的發(fā)光部件。本發(fā)明抑制由當(dāng)驅(qū)動(dòng)電子發(fā)射器件時(shí)產(chǎn)生的柵極和陰極之間的庫(kù)侖力導(dǎo)致的柵 極的變形，并且，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電子發(fā)射特性。因此，在使用本發(fā)明的電子束裝置的圖像 顯示裝置中，可以維持穩(wěn)定的圖像顯示。參照附圖閱讀示例性實(shí)施例的以下描述，本發(fā)明的其它特征將變得明顯。


圖IA IC是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電子發(fā)射器件的配置的示 圖；圖2是圖1所示的器件的凹部周?chē)姆糯髨D；圖3是示出當(dāng)測(cè)量根據(jù)本發(fā)明的元件的電子發(fā)射特性時(shí)的電源配置的示意圖；圖4A 4C是用于示出根據(jù)本發(fā)明的由庫(kù)侖力導(dǎo)致的柵極變形的示圖；圖5A 5C是用于示出根據(jù)本發(fā)明的柵極的變形和庫(kù)侖力/負(fù)載之間的關(guān)系的示 圖6A 6C是用于示出根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載系數(shù)Cl的示圖；圖7是示出柵極和陰極的突起之間的間隙距離與負(fù)載系數(shù)Cl之間的關(guān)系的示 圖；圖8是示出柵極的位移量與安全系數(shù)c2之間的關(guān)系的示圖；圖9A是根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射器件的電子發(fā)射單元附近的放大示意性斷面圖， 圖9B是示出通過(guò)濺射成膜方法的粒子的入射角與附著概率之間的關(guān)系的示圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的電子發(fā)射器件的凹部附近的放大示意性斷面 圖；圖IlA和圖IlB分別是示出柵極的固定端側(cè)和自由端側(cè)間的膜厚比與自由端側(cè)的 位移之間的關(guān)系，以及膜厚比與柵極的等價(jià)膜厚之間的關(guān)系的示圖；圖12A 12G是示出根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射器件的制造過(guò)程的例子的示圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射器件的例子的透視圖；圖14是示出本發(fā)明的第一例子的電子發(fā)射器件的施加電壓與器件電流之間的關(guān) 系的示圖；圖15是示出本發(fā)明的第二例子的電子發(fā)射器件的施加電壓與器件電流之間的關(guān) 系的示圖；圖16是示出本發(fā)明的第三例子的電子發(fā)射器件的施加電壓與器件電流之間的關(guān) 系的示圖；圖17是示出本發(fā)明的第四例子的電子發(fā)射器件的施加電壓與器件電流之間的關(guān) 系的示圖；圖18是示出本發(fā)明的第五例子的電子發(fā)射器件的施加電壓與器件電流之間的關(guān) 系的示圖；圖19是示出本發(fā)明的第六例子的電子發(fā)射器件的施加電壓與器件電流之間的關(guān) 系的示圖；圖20是示出本發(fā)明的第七例子的電子發(fā)射器件的施加電壓與器件電流之間的關(guān) 系的示圖；圖21是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的顯示面板的配置的透視圖。
具體實(shí)施例方式以下將參照附圖以解釋的方式詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。但是，除非特別描 述，否則，在本實(shí)施例中描述的部件的尺寸、材料、形狀和相對(duì)配置并不旨在將本發(fā)明的范 圍僅限于它們。本發(fā)明的電子束裝置具有發(fā)射電子的電子發(fā)射器件和從電子發(fā)射器件發(fā)射的電 子到達(dá)的陽(yáng)極。根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射器件具有在其表面上具有凹部的絕緣部件和位于絕 緣部件的表面上的柵極和陰極。陰極具有從凹部的邊緣向柵極突起的突起部分，并且，突起 部分被定位為與柵極相對(duì)。并且，使得突起部分沿凹部邊緣方向的長(zhǎng)度比柵極的與突起相 對(duì)的部分沿該方向的長(zhǎng)度短。陽(yáng)極被配置為跨過(guò)柵極與突起相對(duì)。〔配置的概況〕圖IA是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電子發(fā)射器件的平面示意圖，圖IB是沿圖IA中的線(xiàn)A-A'切取的斷面圖，圖IC是從紙面右側(cè)觀(guān)察的圖IB中的器件的側(cè)視圖。在圖IA IC中，附圖標(biāo)記1和2分別代表基板和電極，附圖標(biāo)記3代表通過(guò)層疊 絕緣層3a和3b獲得的絕緣部件。附圖標(biāo)記5代表柵極，附圖標(biāo)記6代表與電極2電連接 的陰極。附圖標(biāo)記7代表在本例子中通過(guò)僅關(guān)于絕緣層3a向內(nèi)凹陷絕緣層3b的側(cè)面形成 的絕緣部件3的凹部。附圖標(biāo)記8代表形成用于發(fā)射電子所需的電場(chǎng)的間隙(從陰極6的 尖端到柵極5的底面的最短距離 d)。在根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射器件中，如圖IA IC所示，在絕緣部件3的表面(在本 例子中為上表面)上形成柵極5。陰極6也在絕緣部件3的表面(在本例子中為側(cè)面)上 形成，并且在跨過(guò)凹部7與柵極5相對(duì)的一側(cè)具有從凹部7的邊緣向柵極5突起的突起部 分。因此，陰極6的突起部分跨過(guò)間隙8與柵極5相對(duì)。同時(shí)，在本發(fā)明中，陰極6的電勢(shì) 被設(shè)為比柵極5的電勢(shì)低。并且，雖然在圖1中沒(méi)有示出，但是，在跨過(guò)柵極5與陰極6相 對(duì)(即，使得柵極5被插入其間)的位置上，存在電勢(shì)被設(shè)為比它們的電勢(shì)高的陽(yáng)極(圖3 中的附圖標(biāo)記20)。圖2是圖IB中的元件的凹部7周?chē)牟糠值姆糯髨D。如圖2所示，陰極6形成為 以距離X進(jìn)入到凹部7的內(nèi)表面的形狀。距離X被設(shè)為約10 30nm并且希望被設(shè)為比 20nm長(zhǎng)。但是，當(dāng)距離X太長(zhǎng)時(shí)，沿凹部7的內(nèi)表面(絕緣層3b的側(cè)面)在陰極6和柵極 5之間出現(xiàn)泄漏，并且，泄漏電流增加?！搽娫?電勢(shì)〕圖3示出當(dāng)測(cè)量根據(jù)本發(fā)明的器件的電子發(fā)射特性時(shí)的電源配置。如圖3所示， 在本發(fā)明的電子束裝置中，陽(yáng)極20被布置為使得跨過(guò)柵極5與陰極6的突起部分相對(duì)。在 本例子中，由于絕緣部件3被布置于基板1上，因此，也可以說(shuō)，陽(yáng)極20被布置為在基板1 的布置有絕緣部件3的一側(cè)上與基板1相對(duì)。在圖3中，Vf代表在元件的柵極5和陰極6之間施加的電壓，If代表此時(shí)流動(dòng)的 器件電流，Va代表在陰極6和陽(yáng)極20之間施加的電壓，Ie代表電子發(fā)射電流。這里，一般 通過(guò)使用當(dāng)向器件施加電壓時(shí)檢測(cè)的電流If和在真空中取出的電流Ie，通過(guò)效率等式η =Ie/(If+Ie)獲得電子發(fā)射效率η?！灿蓭?kù)侖力導(dǎo)致的柵極變形的概況〕當(dāng)如圖3所示的那樣向器件施加電壓Vf時(shí)，跨過(guò)凹部7，在柵極5的底面(與凹 部7相對(duì)的部分)和陰極6的在凹部7上形成的突起上產(chǎn)生正電荷或負(fù)電荷。也就是說(shuō)， 作為吸引力，在其間插入有凹部7的彼此相對(duì)的柵極5和陰極6之間產(chǎn)生由電荷導(dǎo)致的庫(kù) 侖力。然后，柵極5和陰極6中的任一個(gè)由于庫(kù)侖力變形而以被拉向?qū)Ψ?，使得間隙8的距 離變短。假定電壓Vf不變化，那么間隙8中的電場(chǎng)強(qiáng)度變大，使得在柵極5和陰極6中產(chǎn) 生更多的電荷。然后，柵極5或陰極6進(jìn)一步變形以被拉向?qū)Ψ?。也就是說(shuō)，正反饋增加變 形，并且柵極5和陰極6最終相互接觸，并且，電子發(fā)射單元被破壞。參照?qǐng)D2、圖4和圖5更詳細(xì)地描述這一點(diǎn)。首先，研究在柵極5和陰極6之間產(chǎn) 生的庫(kù)侖力。圖4Α示出通過(guò)由導(dǎo)體形成的平行板簡(jiǎn)化的圖2中的柵極5和陰極6的模型。 在圖4Α中，兩個(gè)平行板之間的距離d[m]與圖2中的柵極5和陰極6的突起部分之間的間 隙8的距離d[m]對(duì)應(yīng)，并且，X' [m]代表產(chǎn)生由下式(5)表達(dá)的庫(kù)侖力的范圍。這里，在 以下的描述中，假定圖4A所示的斷面形狀沿與紙面垂直的方向均勻地繼續(xù)。
當(dāng)在平行板之間施加電壓Vf(V)時(shí)，在平行板的表面上產(chǎn)生電荷。電荷量Q[C]被 表達(dá)為Q = ε OXS/d. . . (1)這里，S[m2]是平行板的表面積，ε 0[F/m]是真空介電常數(shù)。通過(guò)由式(1)表達(dá)的電荷量Q在平行板之間產(chǎn)生的庫(kù)侖力F[kg*m/s2]由下式⑵ 表達(dá)F = O. 5XQXE= 0. 5X ( ε 0XS/d) XVfX (Vf/d)= 0. 5X ε OXSX (Vf/d)2. . . (2),這里，E[V/m]是在平行板之間產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度?！矌?kù)侖力加載區(qū)域〕在本發(fā)明的電子發(fā)射器件的配置中，雖然所述兩個(gè)平行板之間的距離在圖4A中 均勻地為d，但是，如圖2所示，柵極5和陰極6的突起之間的距離在其內(nèi)部變大?？紤]這一 點(diǎn)，研究在如圖4B的示意圖中產(chǎn)生的庫(kù)侖力。圖4B是著眼于柵極5和陰極6的突起之間 的距離的示意圖。在圖4B中，柵極5和陰極6之間的距離在柵極5的外表面上被設(shè)為d，并 在陰極6的進(jìn)入凹部7的進(jìn)入距離X[m]的位置上被設(shè)為絕緣層3b的膜厚(絕緣部件3的 具有凹部7的部分的厚度)T2[m]。計(jì)算在圖4B所示的在上下兩個(gè)板之間具有距離分布的 配置中產(chǎn)生的庫(kù)侖力。在式(2)中，通過(guò)使用無(wú)窮小面積AS= AxXb(b[m]是與紙面垂直的方向的長(zhǎng) 度)并在0 X的范圍上積分，將如下式(3)那樣計(jì)算庫(kù)侖力
Fl =
O. 5 O b
f
V y
d χ , y = d +
T 2 — d XFl = 0. 5X ε OXbXVf2X (X/(dXT2))· · · (3)。另一方面，如果上下兩板之間的距離均勻地為d并且施加庫(kù)侖力的面積S等于 bXX'，那么將如下從式(2)計(jì)算庫(kù)侖力F2 = 0. 5X ε OXbXVf2X (X' /d2) · · · (4)。考慮通過(guò)圖4A中所示的兩個(gè)板之間的距離恒定地為d的配置替代如圖4B的在上 下兩板之間具有距離分布的配置。假定Fl = F2，則獲得V = (dXX)/T2. · · (5)。也就是說(shuō)，在距離d等于X'的情況下，在圖4B的配置中產(chǎn)生的庫(kù)侖力相當(dāng)于圖 4A的配置中的力。在X'的等式中包含距離d，由此，隨著庫(kù)侖力產(chǎn)生變形，d的值變化。但是，如果 假定X'在變形期間不變化，那么X'可被表達(dá)為V = (do XX) /T2. · · (6)，這里，d0[m]是沒(méi)有電壓施加的距離d。因此，在與圖4A中的紙面垂直的方向上的單位長(zhǎng)度的庫(kù)侖力F[kg · m/s2]被表達(dá) 為F = 0. 5X ε OX (dOXX/T2) X (Vf/d)2. · · (7)。下面，研究由陰極6和柵極5之間的庫(kù)侖力產(chǎn)生的變形量。這里，假定柵極5變形，并且圖4C示出由懸臂簡(jiǎn)化的柵極5的模型。在圖4C中，長(zhǎng)度L[m]代表從柵極5的外表面到凹部7的內(nèi)表面的距離。并且， h[m]代表柵極5的膜厚。在懸臂的模型中，外表面是自由端，并且凹部7的內(nèi)表面是固定 端。假定斷面形狀 如圖4C所示的那樣均勻地相同。當(dāng)在圖4C中的懸臂的自由端側(cè)產(chǎn)生由式(7)表達(dá)的庫(kù)侖力作為負(fù)載時(shí)，通過(guò)負(fù)載 F在懸臂的自由端側(cè)產(chǎn)生的變形量δ [m]被表達(dá)如下δ = FXL3/(3XYXI)…(8)。這里，I[m4]是懸臂的二次慣性力矩，Y[Pa]是楊氏模量?？紤]矩形斷面，與紙面垂直的方向上的單位長(zhǎng)度的二次慣性力矩I為I = h3/12. . . (9)式(8)和(9)給出δ = 4XFXL3/(YXh3)· · · (10)。變形量δ可被表達(dá)為δ = dO-d' · · · (10. 5)，這里，d0[m]是電壓施加之前的柵極5和陰極6的突起部分之間的間隙距離， d' [m]是通過(guò)負(fù)載F使柵極5變形之后的間隙距離?；谑?10)和(10. 5)，柵極5變形 之后的負(fù)載F和間隙距離d' [m]之間的關(guān)系被表達(dá)為F = YXh3/(4XL3) X (d0-d' )···(11)。下面，將參照?qǐng)D5Α 5C描述變形和庫(kù)侖力/負(fù)載之間的關(guān)系。在圖5A 5C中， 曲線(xiàn)“a”代表式(7)，使得d沿橫軸、F沿縱軸，并且，曲線(xiàn)“b”代表式(11)，使得d'沿橫 軸、F沿縱軸，兩者被重疊，使得變形之后的間隙距離d'沿著橫軸，庫(kù)侖力/負(fù)載沿縱軸。 在圖5A 5C中，式(7)的間隙距離-庫(kù)侖力曲線(xiàn)“a”中的間隙距離d由變形之后的間隙 距離d'替代。并且，施加電壓之前的間隙距離被設(shè)為d0。首先，描述變形收斂的情況。圖5A示出式(7)的曲線(xiàn)“a”和式(11)的曲線(xiàn)“b” 具有交點(diǎn)的情況。在圖5A中，在施加電壓之前通過(guò)間隙距離d0產(chǎn)生的庫(kù)侖力為fl。懸臂 通過(guò)負(fù)載fl變形并且間隙距離變?yōu)閐l。通過(guò)新的間隙距離dl產(chǎn)生的庫(kù)侖力為f2。通過(guò) 重復(fù)該步驟，間隙距離和負(fù)載最終分別收斂于dconv和fconv。下面描述變形在柵極5和陰極6的突起之間導(dǎo)致短路的情況。圖5B示出間隙距 離_庫(kù)侖力曲線(xiàn)“a”和負(fù)載_間隙距離曲線(xiàn)“b”沒(méi)有交點(diǎn)的情況。類(lèi)似地，間隙距離d0的 庫(kù)侖力為fl，懸臂通過(guò)Π變形，并且間隙距離變?yōu)閐l。通過(guò)重復(fù)該步驟，庫(kù)侖力發(fā)散到無(wú) 限大，并且間隙距離收斂于0。間隙距離0意味著在陰極6的突起和柵極5之間出現(xiàn)短路， 并且電子發(fā)射器件被破壞。因此，可以導(dǎo)出防止通過(guò)在柵極5和陰極6的突起之間產(chǎn)生的庫(kù)侖力破壞電子發(fā) 射器件所需的條件。也就是說(shuō)，如圖5A所示，由式(7)表達(dá)的間隙距離-庫(kù)侖力曲線(xiàn)“a” 和由式(11)表達(dá)的負(fù)載-間隙距離曲線(xiàn)“b”應(yīng)具有交點(diǎn)?！矃?shù)Cl〕下面，描述負(fù)載系數(shù)Cl。在圖4A所示的間隙距離d沿與紙面垂直的方向均勻地繼 續(xù)(圖6A)的假定下，計(jì)算間隙距離_庫(kù)侖力曲線(xiàn)“a”或式(7)。但是，由于間隙距離d具 有微細(xì)的納米的量級(jí)，因此寬度不完全均勻，并且在實(shí)際的電子發(fā)射器件中間隙距離d如圖6B所示的那樣波動(dòng)，并且，間隙距離在一些點(diǎn)上寬并在其它的點(diǎn)上窄。圖6C示出圖6B 中的Y軸方向上的間隙距離d的分布的例子。參照?qǐng)D6C，最窄的間隙距離為約3nm，最寬的 間隙距離為約30nm，其平均值為15nm。將兩個(gè)庫(kù)侖力F和F'相比較，這里，F(xiàn)是在間隙距離d沿Y軸方向均勻地為 3nm(圖6A)的情況下產(chǎn)生的庫(kù)侖力，并且，F(xiàn)'是在間隙距離如圖6C所示的那樣波動(dòng)(圖 6B)的情況下產(chǎn)生的庫(kù)侖力。可通過(guò)在示出的范圍上積分無(wú)窮小部分ΔΥ中的庫(kù)侖力AF' 獲得F'，這里，可通過(guò)向式(7)應(yīng)用無(wú)窮小部分ΔΥ中的Y方向間隙距離獲得AF'。然 后，獲得 F' /F = O. 0534。類(lèi)似地，在具有另一間隙距離分布的例子中，也計(jì)算間隙距離的最小值d、間隙距 離的平均值dav以及庫(kù)侖力F和F'。圖7是畫(huà)出間隙距離分布的示圖，d/dav沿橫軸，cl =F' /F沿縱軸。通過(guò)近似在圖7中畫(huà)出的點(diǎn)，可將它們表達(dá)為以下的近似式cl = 0. 94X (d/dav)1·78· · · (12)。應(yīng)用式(12)的Cl，式(7)可被重寫(xiě)為F' = 0. 5X ε OX (dOXX/T2) XclX (Vf/d)2· · · (13)?！惨种茟冶鄯答伿Э氐臈l件〕當(dāng)由式(13)表達(dá)的間隙距離-庫(kù)侖力曲線(xiàn)“C”和由式(11)表達(dá)的負(fù)載-間隙距 離曲線(xiàn)“b”具有交點(diǎn)時(shí)，交點(diǎn)處的間隙距離d'滿(mǎn)足下式(14)。該式中，d0是施加電壓之 前的間隙距離。這里，設(shè)定式(13)中的F'等于式(11)中的F。0. 5XclX ε OX (dOXX/T2) X (Vf/d' )2= YXh3/(4XL3) X (d0-d' ). . . (14)通過(guò)配置式(14)，可通過(guò)d'的三次方程將其表達(dá)為式(15)。(YXh3/(4XL3)) Xd ‘ 3-(YXh3/(4XL3)) XdOXd ‘ 2+0. 5XclX ε OX (dOXX/ T2) XVf2 = 0. . . (15)當(dāng)式(13)和(11)的兩個(gè)曲線(xiàn)如圖5C所示的那樣相切時(shí)，式(15)對(duì)于d'具有多 個(gè)根，并且，多個(gè)根的條件被表達(dá)為L(zhǎng)/h = (2Xd03XY/(27XclX ε OX (dXX/T2) XVf2)) 1 073. . . (16)。也就是說(shuō)，當(dāng)L與h的比滿(mǎn)足式(16)中的關(guān)系時(shí)，兩條曲線(xiàn)，即式(13)的間隙距 離-庫(kù)侖力曲線(xiàn)“C”和式(11)的負(fù)載_間隙距離曲線(xiàn)“b”如圖5C所示的那樣相互接觸。 當(dāng)L與h的比小于滿(mǎn)足式(16)的值時(shí)，兩條曲線(xiàn)如圖5A所示的那樣具有交點(diǎn)，另一方面， 當(dāng)L與h的比大于滿(mǎn)足式(16)的值時(shí)，兩條曲線(xiàn)如圖5B所示的那樣沒(méi)有交點(diǎn)。因此，避免由于庫(kù)侖力反饋失控導(dǎo)致的電子發(fā)射單元的破壞的條件為L(zhǎng)/h ( c2X (2Xd03XY/(27XclX ε OX (dXX/T2) XVf2))L0/3. · · (17)。這里，c2代表不大于1.0的安全因子。例如，當(dāng)d = 3nm、cl = 0. 055、Vf = 26V、 Y= 155GPa并且X= IOnm時(shí)，并且當(dāng)c2 = 1. 0時(shí)，條件為L(zhǎng)/h彡4. 6。與施加電壓之前的 間隙距離d0相比，收斂點(diǎn)處的間隙距離d'減小0. 9nm，達(dá)到2. Inm0圖8是示出系數(shù)c2與由庫(kù)侖力導(dǎo)致的變形量之間的關(guān)系的示圖，其中，橫軸代表 系數(shù)c2，縱軸代表(d0-d' )/d0。從圖8看出，0.8足以將變形量限于施加電壓之前 的間隙距離d0的約10%之內(nèi)。
從以上描述，可通過(guò)將施加電壓之前的距離d0替換為式(17)中的d獲得安全因 子c2為0. 8的避免由于庫(kù)侖力反饋失控導(dǎo)致的電子發(fā)射單元的破壞的條件，并且，該條件 被表示為下式(18)。L/h ( 0. 8X (2X d3X Y/(27X cl X ε OX (dXX/T2) XVf2))L0/3. · · (18)〔 L的下限〕可通 過(guò)將式(18)的兩邊乘以h，導(dǎo)出用于避免由于庫(kù)侖力反饋失控導(dǎo)致的電子發(fā) 射單元的破壞的L的上限。同時(shí)，L的值強(qiáng)烈地與器件的泄漏有關(guān)，并且，凹部7形成得越 深，則泄漏值越小。另外，當(dāng)進(jìn)入距離X變得比長(zhǎng)度L大時(shí)，更可能出現(xiàn)泄漏。為了保持泄 漏較小，將討論陰極6進(jìn)入凹部7的進(jìn)入距離X比長(zhǎng)度L小的條件。圖9A是著眼于凹部7和陰極6的示意圖。T2代表絕緣層3b的厚度[m]。X代表 陰極6進(jìn)入凹部7的進(jìn)入距離[m]。角度θ代表垂直方向和連接陰極6的進(jìn)入凹部7的尖 端和柵極的端部的線(xiàn)之間的角度。圖9Β示出濺射粒子的入射角度與附著概率之間的關(guān)系，其中，粒子的入射角沿橫 軸表示。可以看出，入射角度越大，則粒子越難附著，并且，可以理解，對(duì)于大于70°的入射 角，粒子幾乎不附著。也就是說(shuō)，在圖9Α中，僅考慮小于或等于70°的角度θ的范圍就夠 了。當(dāng) θ = 70° 時(shí)，由于 tan70° = 2. 7，因此獲得 X = 2. 7XT2。從以上的描述，從柵極5的外表面到凹部7的內(nèi)表面的距離L的下限為2. 7XT2 ^ L. . . (19),這里，T2是絕緣層3b的厚度?！残ㄐ螙艠O〕在以上的描述中，考慮柵極5的形狀被假定為如圖2所示的矩形的簡(jiǎn)化模型?，F(xiàn) 在考慮具有如圖10所示的楔形斷面的更精細(xì)的模型，其中，柵極5的形狀向著外表面變薄。 在圖10中，h2表示柵極5的外表面上的膜厚，hi表示絕緣層3b的內(nèi)表面上的位置的膜厚。 該模型還使用厚度hi側(cè)為固定端并且厚度h2側(cè)為自由端的懸臂配置。WL= IOOnm, X = IOnm, hi = 20nm 禾口 h2 = 0 20nm，通過(guò)圖 10 中的形狀的數(shù) 值模擬，計(jì)算在距離X的區(qū)域中加載負(fù)載時(shí)的自由端處的懸臂的位移量。在圖IlA中，h2/ hi沿橫軸被表示，并且，自由端處的位移被歸一化，使得該值在hi = h2 = 20nm時(shí)被設(shè)為 1，并且沿縱軸被表示。這里，考慮用具有恒定柵極厚度h ‘的等價(jià)矩形斷面模型替代柵極厚度hi和h2的 楔形斷面模型。在具有矩形斷面的懸臂中，如式(10)所示，向自由端施加負(fù)載F時(shí)自由端 處的位移量與柵極膜厚的立方成反比。δ oc i/h' 3· · · (20)重寫(xiě)式(20)，獲得h' - (Ι/δ)1、3··· (21)基于式(21)，h'與自由端處的位移的倒數(shù)的立方根成比例。在圖IlB中，h2/hl 沿橫軸被表示，并且，等價(jià)膜厚h'沿縱軸被表示。h'的值是根據(jù)式(21)的圖IlA中的值 的倒數(shù)的立方根，并且被歸一化，使得當(dāng)h2/hl = 1時(shí)h' =1。圖IlB表示的值的近似曲 線(xiàn)可被表達(dá)為h' = 0. 5+0. 5X (h2/hl)0.5。
因此，具有在負(fù)載-間隙距離關(guān)系中與楔形柵極等價(jià)的矩形形狀的柵極膜厚h' 被表達(dá)為h' = hlX (0. 5+0. 5X (h2/hl)0·5). . . (22)。從以上的描述，可使用對(duì)于具有矩形形狀的柵極的式(18)和在式(22)中的h'導(dǎo) 出避免楔形柵極模型中的由于庫(kù)侖力反饋失控導(dǎo)致的電子發(fā)射單元的破壞的條件，并且， 該條件被表示為下式(23)。L/h' ^ 0. 8X (2Xd3XY/(27Xcl X ε OX (dXX/T2) XVf2)) 1 073. . . (23)〔制造的方法〕參照?qǐng)D12描述圖1所示的制造電子發(fā)射器件的示例性方法。基板1要機(jī)械支撐器件，并且由例如石英玻璃、減少諸如Na的雜質(zhì)含量的玻璃、堿 石灰玻璃或硅基板制成。關(guān)于基板需要的功能，不僅高的機(jī)械強(qiáng)度是優(yōu)選的，而且對(duì)于干蝕 刻、濕蝕刻和諸如顯影液的堿和酸的抗力也是優(yōu)選的。并且，如果基板被用作諸如顯示面板 的一體化結(jié)構(gòu)，那么優(yōu)選基板自身和成膜材料或其它層疊部件之間的熱膨脹差小。另外，希 望這些材料使得來(lái)自玻璃內(nèi)的堿元素等在熱處理期間不容易擴(kuò)散。首先，如圖12A所示，作為對(duì)于在基板上形成臺(tái)階的準(zhǔn)備，層疊絕緣層22和23以 及導(dǎo)電層24。絕緣層22和23由通過(guò)諸如濺射、CVD方法和真空沉積方法的一般真空成膜 方法形成的例如諸如SiN(SixNy)或SiO2的可加工性?xún)?yōu)異的材料制成。絕緣層22的厚度被 設(shè)為從幾nm到幾十μ m的范圍、優(yōu)選在幾十nm到幾百nm的范圍內(nèi)。絕緣層23的厚度被 設(shè)為從幾nm到幾百nm的范圍、優(yōu)選在幾nm到幾十nm的范圍內(nèi)。同時(shí)，需要在層疊絕緣層 22和23之后形成凹部7，使得絕緣層22和23應(yīng)具有不同的蝕刻速度。希望絕緣層23的 蝕刻速度與絕緣層22的蝕刻速度的比等于或大于10，并且，如果可能的話(huà)，希望其等于或 大于50。例如，絕緣層22可由SixNy構(gòu)成，并且，絕緣層23可由諸如SiO2的絕緣材料或具 有高磷濃度的PSG膜或具有高硼濃度的BSG膜等構(gòu)成。通過(guò)諸如沉積方法和濺射的一般真空成膜技術(shù)形成導(dǎo)電層24。希望導(dǎo)電層24的 材料除了具有導(dǎo)電性能還應(yīng)具有高的熱導(dǎo)率，并且其熔點(diǎn)應(yīng)當(dāng)高。例如，可以使用諸如Be、 Mg、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Al、Cu、Ni、Cr、Au、Pt 和 Pd 等的金屬或合金材料。另外，可 以使用諸如TiC、ZrC, HfC、TaC, SiC和WC的碳化物，諸如HfB2, ZrB2, CeB6, YB4和GdB4的硼 化物，諸如TiN、&N、HfN和TaN的氮化物，以及諸如Si和Ge的半導(dǎo)體。并且，可以適當(dāng)?shù)厥?用從有機(jī)聚合材料、無(wú)定形碳、石墨、類(lèi)金剛石碳和金剛石的分解得到的碳或碳化合物。導(dǎo) 電層24的厚度被設(shè)為從幾nm到幾百nm的范圍，優(yōu)選在幾十nm到幾百η m的范圍內(nèi)。另 外，為了抑制當(dāng)施加電壓時(shí)由于庫(kù)侖力導(dǎo)致的柵極5的變形，需要凹部7的深度和柵極5的 膜厚之間的比包含于在本發(fā)明中描述的范圍內(nèi)。在通過(guò)光刻技術(shù)在導(dǎo)電層24上形成抗蝕劑圖案之后，通過(guò)使用蝕刻方法依次處 理導(dǎo)電層24以及絕緣層23和22，以如圖12B所示的那樣獲得柵極5以及絕緣層3b和3a。 在這種蝕刻處理中，一般使用能夠通過(guò)將蝕刻氣體轉(zhuǎn)變成等離子體并將其施加到材料上精 確地蝕刻材料的反應(yīng)離子蝕刻(RIE)。作為此時(shí)的處理氣體，在形成氟化物作為被處理的對(duì) 象部件的情況下，選擇諸如CF4、CHF3* SF6的氟氣體。另外，在形成氯化物以蝕刻Si或Al 等的情況下，選擇諸如Cl2和BCl3的氯氣體。并且，為了獲得對(duì)于抗蝕劑的選擇比并且為了 保證蝕刻表面的平滑性或增加蝕刻速度，可以根據(jù)需要添加氫氣、氧氣和氬氣等。
如圖12C所示，通過(guò)蝕刻絕緣層3b在由絕緣層3a和3b構(gòu)成的絕緣部件3的表面 上形成凹部7。在該蝕刻中，當(dāng)例如絕緣層3b為由SiO2形成的材料時(shí)，可以使用通稱(chēng)為緩 沖氫氟酸(BHF)的銨氟化物與氫氟酸的混合溶液，并且，當(dāng)絕緣層3b是由SixNy形成的材料 時(shí)，可使用熱磷酸型蝕刻溶液。凹部7的深度(從絕緣部件3的外表面(絕緣層3a的側(cè)面) 到絕緣層3b的側(cè)面的距離)強(qiáng)烈地與元件的泄漏有關(guān)，并且，凹部7形成得越深，則泄漏值 越小。但是，當(dāng)它太深時(shí)，出現(xiàn)諸如柵極變形的問(wèn)題。因此，距離被設(shè)為約30nm 200nm。 另外，為了抑制當(dāng)施加電壓時(shí)由庫(kù)侖力導(dǎo)致的柵極5的變形，要求凹部7的深度和柵極5的 膜厚的比包含于在本發(fā)明中描述的范圍內(nèi)。如圖12D所示，在柵極5上形成剝離層25。為了從柵極5剝離在下一過(guò)程中沉積 的陰極材料26，形成剝離層25。出于這種目的，例如，通過(guò)氧化柵極5以形成氧化物膜，或 通過(guò)電解電鍍柵極5以附著剝離金屬，形成剝離層25。如圖12E所示，陰極材料26被附著到柵極5和絕緣部件3的外表面的一部分(絕 緣層3a的外表面(側(cè)面))和凹部7的內(nèi)表面(絕緣層3a的上表面)上。陰極材料26可 以是具有導(dǎo)電性并且執(zhí)行場(chǎng)發(fā)射的材料，并且一般是具有不低于2000°C的高熔點(diǎn)并具有不 大于5eV的功函數(shù)的材料，并且，優(yōu)選為很難形成諸如氧化物的化學(xué)反應(yīng)層或可很容易去 除反應(yīng)層的材料。作為這種材料，例如，可以使用諸如Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Au、Pt和Pd的元 素的金屬或合金。并且，可以使用諸如TiC、ZrC, HfC、TaC, SiC和WC的碳化物，諸如HfB2、 ZrB2,CeB6, YB4和GdB4的硼化物，和諸如TiN、ZrN、HfN和TaN的氮化物。并且，可以使用從 無(wú)定形碳、石墨、類(lèi)金剛石碳或金剛石的分解得到的碳或碳化合物。通過(guò)諸如沉積方法和濺 射的一般真空成膜技術(shù)形成陰極材料26。如上所述，在本發(fā)明中，需要通過(guò)控制沉積角度、成膜時(shí)間、形成時(shí)的溫度和形成 時(shí)的真空度制作陰極6的突起，使得它具有用于有效地取出電子的最佳形狀。特別地，陰極 材料26進(jìn)入絕緣層3a的上表面(其變?yōu)榘疾?的內(nèi)表面)的進(jìn)入量X為IOnm 30nm，進(jìn) 一步優(yōu)選20nm 30nm。并且，變成絕緣材料3的凹部7的內(nèi)表面的絕緣層3a的上表面和 陰極6之間的角度(圖2中θ )優(yōu)選等于或大于90°。如圖12F所示，通過(guò)蝕刻去除剝離層25，使得柵極5上的陰極材料26被去除。然 后，如圖12G所示，電極2被形成為與陰極6電氣接觸。電極2如陰極6那樣具有導(dǎo)電性， 并且通過(guò)諸如沉積方法和濺射的一般真空成膜技術(shù)和光刻技術(shù)形成。作為電極2的材料， 例如可以使用諸如 Be、Mg、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Al、Cu、Ni、Cr、Au、Pt 和 Pd 等的金屬 或合金材料。并且，可以使用諸如TiC、ZrC、HfC、TaC、SiC和WC的碳化物，諸如HfB2、&B2、 CeB6、YB4和GdB4的硼化物，和諸如TiN、ZrN和HfN的氮化物。并且，可以使用諸如Si和Ge 的半導(dǎo)體和從有機(jī)聚合材料、無(wú)定形碳、石墨、類(lèi)金剛石碳或金剛石的分解得到的碳或碳化 合物。電極2的厚度被設(shè)為從幾十nm到幾mm的范圍，優(yōu)選在幾十nm到幾μ m的范圍內(nèi)?？赏ㄟ^(guò)相同的材料或不同的材料并且可通過(guò)相同的形成方法或不同的形成方法， 形成電極2和柵極5 ；但是，柵極5的膜厚有時(shí)被設(shè)為比電極2的膜厚薄，使得希望低電阻 材料。以下，參照?qǐng)D21描述具有通過(guò)布置多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射器件獲得的電子 源的圖像顯示裝置。圖21是通過(guò)使用單純矩陣布置的電子源構(gòu)成的圖像顯示裝置的顯示面板的一個(gè)例子的示意性部分切除示圖。在圖21中，附圖標(biāo)記31、32和33分別代表電子源基板、X方向布線(xiàn)和Y方向布線(xiàn)， 并且，電子源基板31與上述的電子發(fā)射器件的基板1對(duì)應(yīng)。并且，附圖標(biāo)記34代表根據(jù)本 發(fā)明的電子發(fā)射器件。同時(shí)，X方向布線(xiàn)32是共同連接上述電極2的布線(xiàn)，并且，Y方向布 線(xiàn)33是共同連接上述柵極5的布線(xiàn)。X方向布線(xiàn)32的M個(gè)線(xiàn)Dxl、Dx2.....Dxm被設(shè)置，并且，它們中的每一個(gè)可由通
過(guò)使用真空沉積方法、印刷和濺射等形成的導(dǎo)電金屬等構(gòu)成。適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)布線(xiàn)的材料、膜厚
和寬度。Y方向布線(xiàn)33的N個(gè)線(xiàn)Dyl、Dy2.....Dyn被設(shè)置，并且，它們中的每一個(gè)以與X
方向布線(xiàn)32類(lèi)似的方式形成。未示出的層間絕緣層被設(shè)置在m個(gè)X方向布線(xiàn)32和η個(gè)Y 方向布線(xiàn)33之間，以使它們電氣隔離(m和η是正整數(shù))。未示出的層間絕緣層由通過(guò)使用真空沉積方法、印刷和濺射等形成的SiO2等構(gòu) 成。層間絕緣層在上面設(shè)置有X方向布線(xiàn)32的電子源基板31的整個(gè)表面或一部分上形成 為適當(dāng)?shù)男螤?。特別地，膜厚、材料和制造方法被適當(dāng)?shù)剡x擇，以耐受X方向布線(xiàn)32和Y方 向布線(xiàn)33的交點(diǎn)處的電勢(shì)差。X方向布線(xiàn)32和Y方向布線(xiàn)33被引出為外部端子。通過(guò)m 個(gè)X方向布線(xiàn)32、η個(gè)Y方向布線(xiàn)33和由導(dǎo)電金屬等形成的導(dǎo)線(xiàn)連接，電連接電極2和柵 極5 (圖1)。形成布線(xiàn)32和布線(xiàn)33的材料、形成導(dǎo)線(xiàn)連接的材料和形成電極2和柵極5的 材料的一部分或整個(gè)構(gòu)成材料可以是相同或互不相同的。未示出的掃描信號(hào)施加手段與X方向布線(xiàn)32連接，以施加用于選擇沿X方向布置 的一行電子發(fā)射器件34的掃描信號(hào)。另外，未示出的調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生裝置與Y方向布線(xiàn)33 連接，以根據(jù)輸入信號(hào)向沿Y方向布置的電子發(fā)射器件34的各列施加調(diào)制信號(hào)。供給向各 電子發(fā)射器件施加的驅(qū)動(dòng)電壓作為向元件施加的掃描信號(hào)和調(diào)制信號(hào)之間的差分電壓。在上述的配置中，可通過(guò)使用單純矩陣布線(xiàn)單獨(dú)地選擇和驅(qū)動(dòng)各器件。在圖21中，附圖標(biāo)記41代表固定電子源基板31的后板。附圖標(biāo)記46代表面板， 其包含玻璃基板43、設(shè)置在玻璃基板的內(nèi)表面上的作為用作發(fā)光部件的磷光體的熒光膜 44，和用作陽(yáng)極20的金屬背板45等。另外，附圖標(biāo)記42代表支撐框架，并且，后板41和面 板46通過(guò)燒結(jié)玻璃等附著到支撐框架42，從而構(gòu)成外殼47。通過(guò)在400 500°C的溫度范 圍下在大氣或氮?dú)庵泻姹?0分鐘或更長(zhǎng)的時(shí)間，執(zhí)行玻璃燒結(jié)密封。外殼47由上述的面板46、支撐框架42和后板41構(gòu)成。這里，設(shè)置后板41主要是 出于增強(qiáng)電子源基板31的強(qiáng)度的目的，并且，如果電子源基板31自身具有足夠的強(qiáng)度，那 么不需要單獨(dú)的后板41。也就是，能夠?qū)⒅慰蚣?2直接密封到電子源基板31，并且，外殼47可由面板 46、支撐框架42和電子源基板31構(gòu)成。另一方面，通過(guò)在面板46和后板41之間設(shè)置稱(chēng)為 間隔體的未示出的支撐材料，可以獲得關(guān)于大氣壓力具有足夠的強(qiáng)度的配置。在這種圖像顯示裝置中，考慮發(fā)射的電子的軌道，磷光體被對(duì)準(zhǔn)以布置于各電子 發(fā)射器件34的上部。當(dāng)圖21中的熒光膜44是有色熒光膜時(shí)，它根據(jù)磷光體和磷光體的對(duì) 準(zhǔn)可由稱(chēng)為黑帶或黑矩陣的黑色導(dǎo)電材料構(gòu)成。下面，描述用于在通過(guò)使用單純矩陣配置的電子源構(gòu)成的顯示面板上基于NTSC 電視信號(hào)執(zhí)行電視顯示的驅(qū)動(dòng)電路的配置例子。顯示面板通過(guò)端子Dxl Dxm、端子Dyl Dyn和高電壓端子與外部電路連接。用于依次驅(qū)動(dòng)電子源(為設(shè)置在顯示面板中的以m行和η列的矩陣圖案布線(xiàn)的一組電子發(fā) 射器件)的掃描信號(hào)被逐線(xiàn)(N個(gè)元件)施加到端子Dxl Dxm上。另一方面，用于控制 由掃描信號(hào)選擇的一行的電子發(fā)射器件的各元件的輸出電子束的調(diào)制信號(hào)被施加到端子 Dyl Dyn上。從直流電壓源向高電壓端子供給例如10[kV]的直流電壓，并且，該直流電壓 是用于將足以激發(fā)磷光體的能量提供給從電子發(fā)射器件發(fā)射的電子束的加速電壓。如上所述，通過(guò)施加掃描信號(hào)和調(diào)制信號(hào)并通過(guò)向陽(yáng)極施加高電壓加速發(fā)射的電 子以施加到磷光體，來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像顯示裝置。同時(shí)，通過(guò)用本發(fā)明的電子發(fā)射器件形成這種圖像顯示裝置，可以配置具有所布 置形狀的電子束的圖像顯示裝置，并且，作為結(jié)果，可以提供顯示性能優(yōu)異的圖像顯示裝
置。 〔例子〕(第一例子)根據(jù)圖12A 12G中的過(guò)程制造具有圖1所示的配置的電子發(fā)射器件。圖13是 其透視圖。首先，如圖12A所示，使用由低鈉玻璃制成的PD200作為基板1，通過(guò)濺射形成 500nm厚的SiN(SixNy)膜作為絕緣層22，然后，通過(guò)濺射形成23nm厚的SiO2膜作為絕緣層 23。并且，在絕緣層23上通過(guò)濺射形成30nm厚的TaN膜作為導(dǎo)電層24。然后，在通過(guò)光刻技術(shù)在導(dǎo)電層24上形成抗蝕劑圖案之后，通過(guò)使用干蝕刻方法 依次處理導(dǎo)電層24以及絕緣層23和22，并且，如圖12B所示，形成由絕緣層3a和3b構(gòu)成 的絕緣部件3以及柵極5。由于如上面描述的那樣在絕緣層22和23以及導(dǎo)電層24中選擇 用于形成氟化物的材料，因此，使用基于CF4的氣體作為此時(shí)的處理氣體。作為使用該氣體 的RIE的結(jié)果，關(guān)于基板的水平表面以約80°的角度形成蝕刻之后的絕緣層3a和3b以及 柵極5。在使抗蝕劑剝離之后，如圖12C所示，絕緣層3b通過(guò)使用BHF被蝕刻為具有約 150nm的深度，以在由絕緣層3a和3b構(gòu)成的絕緣部件3上形成凹部7。然后，如圖12D所示，通過(guò)電解電鍍?cè)跂艠O5的表面上電解沉積Ni以形成剝離層 25。如圖12E所示，作為陰極材料26的鉬(Mo)被附著于絕緣部件3的外表面和凹部 7的內(nèi)表面(絕緣層3a的上表面)上，以形成陰極6。同時(shí)，陰極材料26此時(shí)還被附著于 柵極5上。在本例子中，使用EB沉積方法作為成膜方法。在該成膜方法中，關(guān)于基板的水 平表面的基板的角度被設(shè)為60°，使得陰極材料26進(jìn)入凹部7中約40nm。據(jù)此，進(jìn)行設(shè)定 使得Mo以60°的角度入射到柵極5的上部，并且以40°的入射角度入射到作為形成臺(tái)階 的絕緣部件3的一部分的絕緣層3a的RIE處理之后的外表面。沉積的速度被設(shè)為約12nm/ min0然后，通過(guò)精確地控制沉積時(shí)間(在本例子為2. 5分鐘)形成它，使得絕緣部件3的 外表面上的Mo的厚度為30nm并且陰極材料26進(jìn)入凹部7的進(jìn)入量(X)為40nm。并且，進(jìn) 行設(shè)定使得凹部7的內(nèi)表面(絕緣層3a的上表面)和變成電子發(fā)射單元的陰極6的突起 之間的角度為120°。 在形成Mo膜之后，通過(guò)用由碘和碘化鉀構(gòu)成的蝕刻溶液去除在柵極5上沉積的Ni 剝離層25，從柵極5剝離柵極上的Mo材料26。在剝離之后，通過(guò)光刻技術(shù)形成抗蝕劑圖案，使得陰極6的寬度T4(圖13)為100 μ m。此后，通過(guò)使用干蝕刻方法處理由鉬形成的陰極6。由于用作導(dǎo)電層材料的鉬制成氟化物，因此使用基于CF4的氣體作為此時(shí)的處理氣體 (圖12F)。據(jù)此，形成具有沿絕緣部件3的凹部7的邊緣定位的突起的條帶形狀的陰極6。 在本實(shí)施例中，陰極6的寬度符合突起的寬度，使得可以說(shuō)T4是突起的寬度。同時(shí)，突起的 寬度意指沿突起的絕緣部件3的凹部7的邊緣的方向的長(zhǎng)度。作為斷面TEM和正面SEM的分析結(jié)果，圖2中的作為發(fā)射單元的陰極6的突起部 分和柵極5之間的間隙8的距離d最小為3nm，并且其平均值為15nm。然后，如圖12G所示，通過(guò)濺射層疊具有500nm的厚度的銅(Cu)膜以形成電極2。在以上述的方式形成電子發(fā)射器件之后，通過(guò)圖3所示的配置評(píng)價(jià)電子源的性 能。在圖14中示出評(píng)價(jià)結(jié)果。在圖14中，分別沿橫軸和縱軸表示Vf和If，并且，給出Vf 從IOV逐漸增加到26V并且隨后逐漸減小到5V時(shí)的相對(duì)于各Vf的If的值。參照?qǐng)D14， 可以理解，當(dāng)Vf增加到24V時(shí)，突然產(chǎn)生大的電流，并且，當(dāng)Vf進(jìn)一步增加時(shí)，電流明顯減 小。作為在Vf增加到某值時(shí)突然產(chǎn)生大電流的原因，考慮出現(xiàn)上述的庫(kù)侖力反饋失控以使 柵極5變形，柵極5與陰極6接觸并且泄漏電流增加。作為當(dāng)隨后Vf進(jìn)一步增加時(shí)大電流 消失的原因，考慮柵極5和陰極6的接觸部分被大電流破壞并且泄漏電流減小。在本例子中，L = 150nm并且h = 30nm，由此L/h = 150/30 = 5。另一方面，可通 過(guò)將本例子中的配置、柵極5 (TaN)的楊氏模量Y等于155GPa、X = 40nm、T2 = 20nm、d = 3nm和dav = 15nm應(yīng)用于式(12)和式(18)，獲得用于避免由于庫(kù)侖力反饋失控導(dǎo)致的破 壞的條件。在Vf = 24V時(shí)，該條件為L(zhǎng)/h 彡 4. 5. . . (24)，它表示，由于不滿(mǎn)足式(24)，因此，當(dāng)Vf = 24V時(shí)出現(xiàn)庫(kù)侖力反饋失控。(第二例子)然后，制造使得絕緣層3b的蝕刻深度(凹部7的深度)比第一例子淺的電子發(fā) 射器件，并且，研究其效果。雖然制成的器件與第一例子類(lèi)似，但是，通過(guò)蝕刻絕緣層3b形 成凹部7時(shí)的蝕刻深度被設(shè)為120nm。作為斷面TEM和正面SEM的分析結(jié)果，圖2中的作 為發(fā)射單元的陰極6的突起和柵極5之間的間隙8的距離d最小為3nm，并且其平均值為 14.8nm。當(dāng)通過(guò)使用由此獲得的電子發(fā)射器件執(zhí)行與第一例子類(lèi)似的性能評(píng)價(jià)時(shí)，如圖15 所示，當(dāng)Vf = 30V時(shí)產(chǎn)生突然的大電流。在表1中，給出第一和第二例子以及以下要描述的第三到第五例子中的元件的配 置、大電流產(chǎn)生的有無(wú)和式(18)中的L/h的上限的值?！脖?〕
大電ι由式、(13)
Llnml h[nm] L/h Y[GPa] d[nm] dav[nm] Vf 流的
AA L/h的上
_________存在限
例子 1 150 30 5.00 155__3__15.0 24 存在4.5 —
例子 2 120 30 4.00 155314.8 ~--^---
________30__存在__3.9
例子 3 150 — 35 4.29 155 — 314.524 一 -4.5
例子 4 150 —30 5.00~~ 280 — 3__15.224__-5.4
例子 5 1 150 I 30 5.00 155419.8 | 24 | - | 5.5
在 第二例子中，當(dāng)Vf = 24V時(shí)由式(18)導(dǎo)出的L/h的上限被表達(dá)為L(zhǎng)/h 彡 4. 5. ·· (24-1)。在第二例子中的配置中，由于L = 120nm、h = 30nm并且L/h = 4. 0，因此滿(mǎn)足式 (24-1)。與第一例子相比，在第二例子中，通過(guò)使得L的值更小，L/h的值也變小以不大于 由式(24-1)表達(dá)的上限，使得表明當(dāng)Vf = 24V時(shí)不產(chǎn)生庫(kù)侖力反饋失控。另一方面，當(dāng)對(duì) 于式(12)和(18)應(yīng)用在第二例子中產(chǎn)生大電流的Vf = 30V時(shí)，獲得以下L/h 彡 3. 9. . . (25)，并且，第二例子中的配置L/h = 4. 0不滿(mǎn)足該條件。這表明，當(dāng)Vf增加時(shí)，L/h的 上限變小，并且，出現(xiàn)庫(kù)侖力反饋失控。(第三例子)制造柵極5比第一例子厚的電子發(fā)射器件，并且，研究其效果。雖然制成的器件與 第一例子類(lèi)似，但是，柵極5的厚度T2被設(shè)為36nm。作為斷面TEM和正面SEM的分析結(jié)果， 圖2中的作為發(fā)射單元的陰極6的突起和柵極5之間的間隙8的距離d最小為3nm，并且其 平均值為14.5nm。當(dāng)通過(guò)使用由此獲得的電子發(fā)射器件執(zhí)行與第一例子類(lèi)似的性能評(píng)價(jià) 時(shí)，如圖16所示，在施加達(dá)Vf = 26V的電壓的范圍中，獲得穩(wěn)定的器件電流，而不像第一例 子那樣出現(xiàn)突然的大電流。在第三例子中，當(dāng)Vf = 24V時(shí)由式(18)導(dǎo)出的L/h的上限被表達(dá)為L(zhǎng)/h 彡 4. 5 (24-2)。由于在第三例子的配置中，使L = 150nm、h = 35nm, L/h = 4.29，因此滿(mǎn)足式 (24-2)。與第一例子相比，在第三例子中，h的值增加并且L/h的值變小以不大于由式 (24-2)表達(dá)的上限，這表明，當(dāng)Vf = 24V時(shí)不產(chǎn)生庫(kù)侖力反饋失控。(第四例子)制造使用剛度比第一例子大的材料作為柵極5的材料的電子發(fā)射器件，并且研究 其效果。雖然制成的器件與第一例子類(lèi)似，但是，使用鉬作為柵極5的材料。當(dāng)通過(guò)使用由 此獲得的電子發(fā)射器件執(zhí)行與第一例子類(lèi)似的性能評(píng)價(jià)時(shí)，如圖17所示，在施加達(dá)Vf = 26V的電壓的范圍中，獲得穩(wěn)定的器件電流，而不像第一例子那樣出現(xiàn)突然的大電流。并且， 作為斷面TEM和正面SEM的分析結(jié)果，圖1中的作為發(fā)射單元的陰極6的突起部分和柵極 5之間的間隙8的距離d最小為3nm，并且其平均值為15. 2nm。當(dāng)對(duì)于式(12)和式(18)應(yīng)用第四例子中的配置時(shí)，通過(guò)將作為柵極5的材料的 鉬的楊氏模量Y設(shè)為等于260GPa獲得以下的關(guān)系L/h ^ 5. 4. . . (26)。與第一例子相比，在第四例子中，由于柵極5的剛度較高，因此，如式(26)表達(dá)的 那樣，L/h的上限也變高。因此，在第四例子的配置中，雖然基于L= 150nm和h = 30nm如 第一例子那樣L/h = 5，但是，這滿(mǎn)足式(26)，并且，這表明，庫(kù)侖力反饋失控被避免。(第五例子)制造其中柵極5和陰極6的突起之間的距離比第一例子大的電子發(fā)射器件，并且 研究其效果。雖然制成的器件與第一例子類(lèi)似，但是，當(dāng)形成陰極6時(shí)，鉬的沉積時(shí)間被設(shè) 為2. 2分鐘并且它被形成為使得絕緣部件的外表面上的Mo的厚度為26nm。作為斷面TEM 和正面SEM的分析結(jié)果，圖2中的作為發(fā)射單元的陰極6的突起和柵極5之間的間隙8的距離d最小為4nm，并且其平均值為19. 8nm。當(dāng)通過(guò)使用由此獲得的電子發(fā)射器件執(zhí)行與第一例子中類(lèi)似的性能評(píng)價(jià)時(shí)，如圖18所示，在施加達(dá)Vf = 26V的電壓的范圍中，獲得穩(wěn) 定的器件電流，而不像第一例子那樣出現(xiàn)突然的大電流。當(dāng)對(duì)于式(12)和(18)應(yīng)用第五例子中的配置時(shí)，獲得以下關(guān)系L/h ^ 5. 5. . . (27)與第一例子相比，在第五例子中，由于間隙距離d大，因此如式(27)表達(dá)的那樣L/ h的上限也變高。因此，在第五例子的配置中，雖然基于L = 150nm和h = 30nm，如第一例 子那樣L/h = 5，但是，這滿(mǎn)足式(27)，因此，這表明，庫(kù)侖力反饋失控被避免。(第六例子)如圖10所示，制造柵極5的膜厚在絕緣層3b的內(nèi)表面上和在柵極5的外表面上 不同的電子發(fā)射器件，并且研究其效果。雖然制作的器件與第一例子類(lèi)似，但是，當(dāng)通過(guò)濺 射由Mo膜形成柵極5時(shí)，其厚度在外表面上為h2 = 20nm并在絕緣層3b的內(nèi)表面的位置 上為hi = 30nm。作為斷面TEM和正面SEM的分析結(jié)果，圖2中的作為發(fā)射單元的陰極6的 突起和柵極5之間的間隙8的距離d最小為3nm，并且其平均值為14. 8nm。當(dāng)通過(guò)使用由 此獲得的電子發(fā)射器件執(zhí)行與第一例子類(lèi)似的性能評(píng)價(jià)時(shí)，如圖19所示，當(dāng)Vf = 24V時(shí)， 突然產(chǎn)生大電流。由于第四例子和第六例子的配置僅在柵極5的外表面上的膜厚h2上不同，因此， 比較第四例子和第六例子中的配置和性能評(píng)價(jià)。在表2中，給出第四例子和第六例子以及 以下描述的第七例子中的各例子的配置、大電流產(chǎn)生的有無(wú)和式(23)中的L/h的上限的值。(表 2) 當(dāng)對(duì)于式(12)和式(23)應(yīng)用第六例子中的配置時(shí)，當(dāng)Vf = 24V時(shí)，獲得以下的 關(guān)系L/h' ≤ 5. 4. . . (28)。在第六例子中，與第四例子相比，基于h = 30nm,L/h = 5，并且它滿(mǎn)足式(26)。另 一方面，在第六例子中，通過(guò)將hi = 30nm和h2 = 20nm代入式(22)，基于11' = 27. 3nm獲 得L/h' = 5. 51，使得它不滿(mǎn)足式(28)。在第六例子中，由于柵極5的外表面上的膜厚h2比第四例子中薄，因此不滿(mǎn)足式(28)，并且，這表明出現(xiàn)庫(kù)侖力反饋失控。(第七例子)制作使得柵極5的膜厚厚的電子發(fā)射器件，并且，研究其效果。雖然制成的器件與 第六例子類(lèi)似，但是，柵極5的厚度在外表面上為h2 = 24nm并在絕緣層4的內(nèi)表面上的位 置上為hi = 35nm。作為斷面TEM和正面SEM的分析結(jié)果，圖2中的作為發(fā)射單元的陰極6 的突起和柵極5之間的間隙8的距離d最小為3nm，并且其平均值為15. lnm。當(dāng)通過(guò)使用 由此獲得的電子發(fā)射器件執(zhí)行與第一例子中類(lèi)似的性能評(píng)價(jià)時(shí)，如圖20所示，在施加達(dá)Vf =26V的電壓的范圍中，獲得穩(wěn)定的器件電流，而不像第一例子那樣出現(xiàn)突然的大電流。在第七例子中，當(dāng)Vf = 24V時(shí)，通過(guò)式(23)導(dǎo)出的L/h'的上限被表達(dá)為L(zhǎng)/h'彡 5. 4. · · (28-1)。在第七例子的配置中，通過(guò)將hi = 35nm和h2 = 24nm代入式(22)，基于11'= 32nm獲得L/h' = 4. 69，使得它滿(mǎn)足式(28_1)。與第六例子相比，通過(guò)使得柵極5的膜厚 hi和h2更厚，L/h'的值變小以不大于由式(2 8-1)表達(dá)的上限，使得表明庫(kù)侖力反饋失控 被避免。雖然已參照示例性實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限于公開(kāi)的示例性 實(shí)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這些變更方式以及等同的 結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
一種電子束裝置，包括在其表面上具有凹部的絕緣部件；位于絕緣部件的表面上的柵極；具有從凹部的邊緣向柵極突起的突起部分的陰極，該突起部分位于絕緣部件的表面上以與柵極相對(duì)；和被配置為與突起部分相對(duì)的陽(yáng)極，柵極被插入突起部分和陽(yáng)極之間，其中，滿(mǎn)足以下的條件L/h≤0.8×((2×d3×Y)/(27×c1×ε0×(d×X/T2)×Vf2))1.0/3，和2.7×T2≤L，這里，ε0[F/m]是真空介電常數(shù)，Y[Pa]是柵極的楊氏模量，Vf[V]是在柵極和陰極之間施加的電壓，d[m]是柵極和陰極的突起部分之間的最小距離，dav[m]是柵極和陰極的突起部分之間的距離的平均值，負(fù)載系數(shù)c1＝0.94×(d/dav)1.78，h[m]是柵極的膜厚，T2[m]是絕緣部件的具有凹部的部分的厚度，L[m]是從柵極的外表面到凹部的內(nèi)表面的距離，和X[m]是陰極進(jìn)入凹部的進(jìn)入距離。
2.一種電子束裝置，包括在其表面上具有凹部的絕緣部件； 位于絕緣部件的表面上的柵極；具有從凹部的邊緣向柵極突起的突起部分的陰極，該突起部分位于絕緣部件的表面上 以與柵極相對(duì)；和被配置為與突起部分相對(duì)的陽(yáng)極，柵極被插入突起部分和陽(yáng)極之間， 其中，滿(mǎn)足以下的條件L ^ 0. 8 X ((2Xd3XY)/(27XclX ε OX (dXX/T2) X Vf2))10/3 X hi X (0· 5+0. 5X (h2/ hl)°_5)，和2· 7XT2 彡 L， 這里，eO[F/m]是真空介電常數(shù)， Y[Pa]是柵極的楊氏模量， Vf [V]是在柵極和陰極之間施加的電壓， d[m]是柵極和突起部分之間的最小距離， dav[m]是柵極和突起部分之間的距離的平均值， 負(fù)載系數(shù) cl = 0. 94X(d/dav)L78, hl[m]是柵極的凹部?jī)?nèi)表面上的位置的膜厚， h2[m]是柵極的外表面上的膜厚，T2[m]是絕緣部件的具有凹部的部分的厚度， L[m]是從柵極的外表面到凹部的內(nèi)表面的距離，和 X[m]是陰極進(jìn)入凹部的進(jìn)入距離。
3. 一種圖像顯示裝置，包括 根據(jù)權(quán)利要求1或2的電子束裝置；和 被定位為層疊于陽(yáng)極上的發(fā)光部件。
全文摘要
本申請(qǐng)涉及電子束裝置和使用它的圖像顯示裝置。通過(guò)適當(dāng)?shù)鼐S持柵極(5)的膜厚h與從絕緣部件(3)的外表面到凹部(7)的內(nèi)表面的距離L之間的關(guān)系，抑制由操作電子發(fā)射器件時(shí)產(chǎn)生的庫(kù)侖力導(dǎo)致的柵極(5)的變形。據(jù)此，在具有疊層型電子發(fā)射器件的電子束裝置中，防止柵極的變形以減少電子發(fā)射特性的變化，由此防止元件被破壞。
文檔編號(hào)H01J31/12GK101887833SQ20101017805
公開(kāi)日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者東尚史, 住谷利治, 諏訪(fǎng)高典 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社