DE3853744T2

DE3853744T2 - Elektronenemittierende Vorrichtung.

Info

Publication number: DE3853744T2
Application number: DE3853744T
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Banno; Tetsuya Kaneko; Ichiro Nomura; Hidetoshi Suzuki; Toshihiko Takeda; Kojiro Yokono; Seishiro Yoshioka
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-07-15
Filing date: 1988-07-13
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2008-07-14
Also published as: US5066883A; US5532544A; EP0299461A3; EP0299461B1; DE3853744D1; EP0299461A2

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektronen emittierende Vorrichtung gernäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung sowie auf ihren Gebrauch. Eine solche Vorrichtung ist bekannt aus SU-855782.

Stand der Technik

Als Gerät, mit dem die Emission von Elektronen unter Verwendung eines einfachen Aufbaues erreichbar ist, ist die von M.I. Elinson et al. (Radio Eng. Electron. Phys., Bd. 10, S. 1290-1296, 1965) veröffentlichte Kaltkathoden-Vorrichtung.
Diese nützt die Erscheinung aus, daß die Emission von Elektronen durch den Fluß eines elektrischen Stromes zu einer mit einer kleinen Fläche auf einem Substrat gebildeten Dünnschicht und parallel zur Oberfläche der Schicht bewirkt wird und wird allgemein als Elektronen emittierende Vorrichtung mit Oberflächenleitung bezeichnet.
Diese Elektronen emittierende Vorrichtung vom Sberflächenleitungstyp schließt solche ein, die eine SnO&sub2;(Sb)-Dünnschicht benützen - entwickelt von Elinson et al., wie oben zitiert -, solche, die eine Au-Dünnschicht verwenden (G. Dittmer, "Thin Solid Films, Bd. 9, S. 317, 1972, A. Klopfer und G. Dittmer, US-A-3 735 186), solche, die eine ITO-Dünnschicht verwenden (M. Hartwell und C.G. Fonstad, "IEEE Trans. ED Conf.", S. 519, 1975), und solche, die eine Kohlenstoff-Dünnschicht benutzen [Hisashi Araki et al. "SHINKU" (Vacuum), Bd. 26 Nr. 1, S. 22, 1983].
Der typische Vorrichtungsaufbau solcher Elektronen emittierender Vorrichtungen vom Oberflächenleitungstyp ist in Fig. 38 gezeigt. In Fig. 38 bezeichnen die Bezugsziffern 19 und 20 Elektroden zum Herstellen einer elektrischen Verbindung, (21 eine unter Verwendung eines Elektronen emittierenden Materials gebildete Dünnschicht, 23 ein Substrat und 22 eine Elektronen emittierende Zone.
Bei diesen Elektronen emittierenden Vorrichtungen vom Oberflächenleitungstyp ist es bislang gängige Praxis gewesen, die Elektronen emittierende Zone vorab durch eine anregende Wärmebehandlung, die als "Formierung" bezeichnet wird, zu bilden, bevor die Elektronenemission bewirkt wird. Spezieller wird zwischen die obige Elektrode 19 und die Elektrode 20 eine Spannung angelegt, um die Dünnschicht 21 energetisch anzuregen, was zur Folge hat, daß die Dünnschicht 21 infolge der hierbei erzeugten Joule'schen Wärme zerstört, verformt oder denaturiert wird, womit die Elektronen emittierende Zone 22 gebildet wird, die in einem Zustand hohen elektrischen Widerstandes gehalten wird, um die Funktlon der Elektronenemission zu erhalten.
Was mit dem oben genannten Zustand des hohen elektrischen Widerstandes gemeint ist, ist ein unzusammenhängender Zustand einer Schicht, die teilweise Risse bzw. Sprünge von 0,5 um bis 5 um auf der Dünnschicht 21 und zwischen den Rissen eine sogenannte "Inselstruktur" hat. Was unter der "Inselstruktur" zu verstehen ist, ist die Struktur einer Schicht, bei der auf dem Substrat kleine Teilchen, die allgemein einen Durchmesser von einigen Nanometern (einigen 10 Ångström) bis einige um (Mikrometern) haben, vorhanden sind, und die kleinen Teilchen sind jeweils räumlich unzusammenhängend und elektrisch zusammenhängend.
Bislang wird bei Elektronen emittierenden Vorrichtungen vom Oberflächenleitungstyp mittels der Elektroden 19 und 20 eine Spannung an die oben beschriebene unzusammenhängende Schicht mit hohem Widerstand angelegt, um einen elektrischen Stromfluß zur Oberfläche der Vorrichtung zu bewirken, so daß die Elektronen von den erwähnten kleinen Teilchen emittiert werden.
Die Formierung als herkömmliche anregende Wärmebehandlung, wie sie oben beschrieben ist, bringt jedoch die folgenden Probleme mit sich:
(1) Beim Ausführen der anregenden Erwärmung kommt es mitunter vor, daß die Dünnschicht infolge der Differenz zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrates und der Dünnschicht abgelöst wird. Dies bringt Beschränkungen hinsichtlich der Obergrenze der Aufheiztemperatur, der Substratmaterialien und der Kombination durch Auswahl von Material für die Dünnschicht mit sich.
(2) Bei der Ausführung der anregenden Wärmebehandlung wird auch das Substrat lokal aufgeheizt, was gelegentlich zum Auftreten von folgenschweren Rißbildungen in diesem führt.
(3) Der Grad der Umwandlung der Schicht infolge der anregenden Wärmebehandlung, ausgedrückt durch den Grad an lokaler Zerstörung, Deformation oder Denaturierung, ist in einer Vielzahl von Vorrichtungen, die auf demselben Substrat gebildet werden, tendentiell unregelmäßig, und auch die Stelle, an der Umwandlungen auftreten können, ist nicht exakt festgelegt.
Aus diesem Grunde wurden beim Betrieb als Elektronen emittierende Vorrichtung für jede Vorrichtung Unregelmäßigkeiten in der Form der Strahlbündel der emittierten Elektronen festgestellt.
(4) Es wird eine relativ große elektrische Leistung benotigt, bis die Formierung abgeschlossen ist. Aus diesem Grunde ist eine leistungsfähige elektrische Stromquelle nötig, wenn eine Anzahl von Vorrichtungen auf demselben Substrat zu formieren und die Formierung gleichzeitig auszuführen ist.
(5) Es ist eine relativ lange Zeitspanne für herkömmliche Formierungsverfahren erforderlich, die mit der anregenden Aufheizung beginnen und mit einer Abkühlung enden. Aus diesem Grunde ist eine ziemlich lange Zeit zum Ausführen der Formierung einer Anzahl von Vorrichtungen erforderlich.
Wegen der oben angegebenen Probleme sind die Elektronen emittierenden Vorrichtungen vom Oberflächenleitungstyp auf industriellem Gebiet ungeachtet ihrer Vorteile hinsichtlich eines einfachen Aufbaues der Vorrichtung in industriellen Anwendungsgebieten bisher nicht erfolgreich angewandt worden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben diskutierten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, und es ist eine ihrer Aufgaben, eine Elektronen emittierende Vorrichtung bereitzustellen, die ohne Anwendung der als Formierung bezeichneten Behandlung eine Qualität haben kann, die derjenigen von mittels Formierung gebildeten Elektronen emittierenden Vorrichtungen mehr als ebenbürtig ist, und die einen neuartigen Aufbau hat, der weniger Unregelmäßigkeiten der Eigenschaften mit sich bringt.
Insbesondere sollte die Elektronen emittierende Vorrichtung auch eine Steuerung der oben erwähnten Eigenschaften und weiterhin eine bessere Steuerung der Position der Elektronen emitttierenden Zone sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung ermöglichen.
Weiterhin soll die vorliegende Erfindung eine einen elektrischen Strom emittierende Vorrichtung bereitstellen, die nicht nur die oben erwähnten Probleme löst, sondern auch die an die Elektroden anzulegende Spannung verringert und eine Verbesserung in der Dichte des emittierten elektrischen Stromes erbringt.
Gemäß der Erfindung werden diese Aufgaben für eine Vorrichtung des oben genannten Typs mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung durch Steuerung der oben erwähnten Gestalt und Breite der Risse bzw. Sprünge ohne Anwendung der Formierungsmittel und ohne Schwierigkeiten anzugeben. Das Verfahren sollte es insbesondere auch erlauben, die Struktur in der Größe entsprechend der Inselstruktur innerhalb der oben erwähnten Risse gleichmäßig auszubilden.
Entsprechend der Erfindung werden diese Aufgaben alternativ gelöst durch ein Verfahren, dessen Schritte in den Ansprüchen 26, 28 oder 29 definiert sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine solche Elektronen emittierende Vorrichtung in einer Anzeigevorrichtung verwendet werden, wie sie im Anspruch 31 definiert ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 bis Fig. 7 sind Querschnittsdarstellungen, die Elektronen emittierende Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung vom vertikalen Typ darstellen,
Fig. 8 ist eine perspektivische Darstellung, die eine Elektronen emittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, die eine Isolierschicht hat, die in einem dispergierten Zustand angeordnete kleine Teilchen aufweist,
Fig. 9 und Fig. 10 sind Querschnittsdarstellungen längs der Linie A-B in Fig. 8,
Fig. 11 und Fig. 14 sind erläuternde Darstellungen zu Herstellungsverfahren für die Elektronen emittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 12, Fig. 13, Fig. 15 und Fig. 16 zeigen schematisch Elektronen emittierende Vorrichtungen gemäß anderen Ausführungsformen eines speziellen Aufbaues gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 17 bis Fig. 27 zeigen schematisch Elektronen emittierende Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Halbleiterschicht haben, bei der kleine Teilchen in einem dispergierten Zustand angeordnet sind,
Fig. 28 bis Fig. 36 zeigen schematisch Elektronen emittierende Vorrichtungen gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit speziellem Aufbau,
Fig. 37 zeigt schematisch eine Elektronen emittierende Vorrichtung, die zwei Arten kleiner Teilchen aufweist, die im dispergierten Zustand angeordnet sind,
Fig. 39 ist eine Darstellung, die eine herkömmliche Elektronen emittierende Vorrichtung zeigt.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Genauer ist die vorliegende Erfindung eine Elektronen emittierende Vorrichtung mit einem Laminat, das eine zwischen einem Paar einander gegenüberliegender Elektroden angeordnete isolierende Schicht aufweist, bei der eine Elektronen emittierende Zone, die von den Elektroden isoliert ist, an einer seitlichen Endfläche der isolierenden Schicht in dem Teil gebildet ist, in dem die Elektroden einander gegenüberliegen, und Elektronen werden aus der Elektronen emittierenden Zone durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden emittiert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Elektronen emittierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In der Figur bezeichnen die Bezugsziffern 1 und 2 Elektroden zum Herstellen einer elektrischen Verbindung, 3 eine Elektronen emittierende Zone, 4 ein Substrat und 5 eine lsolierschicht.
In Fig. 1 umfaßt die Elektronen emittierende Vorrichtung der Erfindung ein Laminat, das eine zwischen einem Paar von Elektroden 1 und 2, die einander an ihren Endabschnitten gegenüberliegen, angeordnete isolierende Schicht 5 aufweist, wobei die Elektronen emittierende Zone 3 von den Elektroden isoliert an einer seitlichen Endfläche der isolierenden Schicht 5 in dem Abschnitt vorgesehen ist, in dem die Elektroden 1 und 2 einander gegenüberliegen, und Elektroden werden aus der Elektronen emittierenden Zone 3 durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 1 und 2 emittiert.
Bei der oben beschriebenen Elektronen emittierenden Vorrichtung kann diejenige, die dem schmalen Riß beim Stand der Technik entspricht, von der Schichtdicke der Isolierschicht 5 abhängen. Wenn man spezieller - wie in Fig. 1 dargestellt - den Aufbau nimmt, daß ein Paar von Elektroden oberhalb und unterhalb der isolierenden Schicht bezüglich der Laminierungsrichtung, in der die das Elektronen emittierende Gebiet aufweisende Isolierschicht auf das Substrat laminiert ist, gebildet ist (der nachfolgend als "Vertikalaufbau" bezeichnet wird), so kann die Dicke der Isolierschicht, von der der Abstand zwischen den Elektoden abhängt, klein gemacht werden.
Die Elektronen emittierende Vorrichtung mit dem Vertikalaufbau hat eine Qualität, die derjenigen herkömmlicher Vorrichtungen unter Heranziehung von Formierungsmitteln mindestens gleich ist, und sie kann eine verbesserte Elektronen emittierende Vorrichtung ergeben, bei der die Gestalt und Breite der Elektronen emittierenden Zone gleichmäßig gemacht werden können.
In Fig. 1 kann die isolierende Schicht 5 eine Dicke von einigen Zehntel nm (einigen Å) bis zu einigen um, beispielsweise von 1 nm (10 Å) bis 10 um, bevorzugt von 1 nm (10 Å) bis 1 um haben.
Die Isolierschicht 5 ist aus SiO&sub2;, MgO, TiO&sub2;, Ta&sub2;O&sub5;, Al&sub2;O&sub3; o.ä., einem aus Materialien dieser Gruppe laminierten Material oder einer Mischung von solchen Materialien aufgebaut und durch Vakuumabscheidung oder eine Beschichtung gebildet. Alternativ kann die isolierende Schicht, wenn die Elektrode 1 aus einem Metall wie Al oder Ta aufgebaut ist, eine durch Elektrolyse anodisierte anodische Oxidationsschicht aufweisen.
Das Substrat 4 ist aus Glas, Keramik o.ä. gebildet, und die Elektroden 1 und 2 sind mit Au, Ag, Cu, Mo, Cr, Ni, Al, Ta, Ped, W o.ä. oder einer Legierung aus Elementen dieser Gruppe oder Kohlenstoff etc. gebildet.
Die Elektroden 1 und 2 können eine Dicke von einigen 10 nm (einigen 100 Å) bis einigen um, vorzugsweise von 0,01 bis 2 um, im Falle des Vertikalaufbaus haben. Die Herstellungsverfahren umfassen die Vakuumabscheidung, Photolithographie und das Bedrucken.
Ein Umriß des Herstellungsverfahrens für die Elektronen emittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann speziell aufgrund von Fig. 1 wie folgt gegeben werden.
Die Elektrode 1 wird auf das Substrat 4 aufgedampft und dann einer Musterbildung unterzogen, um ihr eine gewünschte Gestalt - etwa Streifenform - zu verleihen. Danach wird die isolierende Schicht 5 mittels Vakuumabscheidung, einem Beschichtungsschritt o.ä. gebildet. Die Dicke der isolierenden Schicht hängt von den dielektrischen Eigenschaften ab, welche von den Materialien für die Isolierschicht abhängen, und von der Schwellspannung, bei der durch die zwischen den Elektroden 1 und 2 angelegte Spannung eine Emission von Elektronen einsetzt. Gewöhnlich muß die Schichtdicke 1 um oder geringer sein, um die Schwellspannung auf 10 bis 20 V einzustellen. Nach Bildung der Isolierschicht 5 wird die Elektrode 2 durch herkömmliche Vakuumabscheidung, Aufdrucken, einen Beschichtungsschritt oder einen ähnlichen Vorgang gebildet, und dann werden die Elektrode 2 und die Isolierschicht 5 derart einer Musterbildung längs des Musters bzw. der Gestalt der Elektrode 1 unterzogen, daß sie in demselben Muster teilweise mit der Elektrode 1 überlappen (siehe Fig. 1). Bei dieser Gelegenheit kann die Elektronen emittierende Zone 3 durch Anordnen einer Elektronen emittierenden Schicht 3a zwischen den Isolierschichten 5a und 5b auf die später beschriebene Weise oder durch Anordnen Elektronen emittierender Körper 3b auf der Seitenfläche der Isolierschicht 5 erhalten werden.
Gute Ergebnisse können jedoch nicht nur bei Benutzung des Aufbaues nach Fig. 1, bei dem die Elektroden 1 und 2 einander überlappen, sondern auch mit einer Elektronen emittierenden Vorrichtung erreicht werden, die eine Elektronen emittierende Zone 3 aufweist, die auf einer zwischen einem Paar von Elektroden 1 und 2, die einander an ihren Endabschnitten gegenüberliegen, aber keine Überlappung haben, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, definierten Seitenfläche angeordnet ist.
Die Elektronen emittierende Zone 3 wird durch Anordnen einer Elektronen emittierenden Schicht 3a, die aus einem leicht zu einer Feldemission von Elektronen, einer Sekundärelektronenemission oder einer Emission von Elektronen durch Elektronenbeschuß fähigen Material, das hohe thermische und Korrosionsbeständigkeit aufweist, beispielsweise aus Metallen wie W, Ti, Au, Ag, Cu, Cr, Al oder Pt, Oxiden wie SnO&sub2;, In&sub2;O&sub3;, BaO oder MgO oder Kohlenstoff oder einer Mischung aus irgendwelchen dieser Materialien, die jedes eine niedrige Austrittsarbeit und hohe thermische Beständigkeit aufweisen, unter Anwendung der Vakuumabscheidung, eines Beschichtungsschrittes, einer Sprüh- bzw. Sputterabscheidung, eines Eintauchens oder eines ähnlichen Schrittes in der Isolierschicht 5.
Alternativ kann sie eine dünne Beschichtung aufweisen, die ein Pulver aus extrem kleinen Teilchen von Metallen wie beispielsweise Au, Ag, Cu, Cr oder Al umfaßt, oder sie kann auch durch Anordnen von Elektronen emittierenden Körpern 3b auf der Seitenfläche der Isolierschicht 5 gebildet sein, die eine dünne Beschichtung aus einem Material aufweisen, wie es für die oben genannte Elektronen emittierende Schicht 3a angegeben wurde. (Die anwendbaren Beschichtungsverfahren schließen ein Überziehen bzw. Aufstreichen, aller Arten der Vakuumbeschichtung und Eintauchen ein.)
Der Elektronenabstand 6 in Fig. 1 und Fig. 2 differiert etwas, kann aber vorzugsweise annähernd im Bereich von einigen nm (einigen 10 Å) bis einigen um, spezieller von einigen nm (einigen 10 Å) bis 2 um und noch spezieller von 1 nm (10 Å) bis 1 um, betragen.
Ein Umriß eines Verfahrens zur Herstellung der in Fig. 2 dargestellten Elektronen emittierenden Vorrlchtung wird nachfolgend gegeben.
Eine Isolierschicht 5 wird auf einem Substrat 4 gebildet, und ein abgestufter Abschnitt wird durch Musterbildung erzeugt. Danach werden die Elektroden 1 und 2 gleichzeitig als Schichten derart gebildet, daß der abgestufte Abschnitt nicht durch die Elektroden bedeckt wird, wodurch der Elektrodenabstand 6 gebildet wird. Der Elektrodenabstand 6 hängt demzufolge von der Dicke der auf dem abgestuften Abschnitt gebildeten Elektrode sowie der Schichtdicke der Isolierschicht 5 ab. Die Schichtbildung dieser Elektrode wird üblicherweise durch ein Vakuum-Schichtbildungsverfahren oder einen ähnlichen Prozeß ausgeführt, so daß es möglich ist, die Schichtdicke mit hoher Genauigkeit zu steuern. Damit kann für den Elektrodenabstand 6 ein kleiner Wert von einigen nm (einigen 10 Å) leicht mit hoher Genauigkeit erhalten werden.
Der Stufenabschnitt, in dem der Elektronenabstand 6 gebildet ist, kann auch durch ein Muster- bzw. Strukturätzen des Substrates 4 selbst ohne Verwendung der Isolierschicht 5 erhalten werden. Es ist auch ein Verfahren verfügbar, bei dem die Elektroden 1 und 2 auf diesem Stufenabschnitt gebildet werden, um eine Elektronen emittierende Vorrichtung zu erhalten (siehe Fig. 7).
Nimmt man den Aufbau, daß ein Paar von einander gegenüberliegenden Elektroden keine gegenseitige Überlappung haben, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, so kann man eine hochwertigere Elektronen emittierende Vorrichtung erhalten, bei der ein geringerer Anstieg im Ansteuer-Leistungsverbrauch auftritt, als er ansonsten infolge des Ansteigens der Kapazität am Elektrodenüberlappungsbereich geringerer Verzögerung der elektrischen Ansteuersignale und geringerer dielektrischer Durchschlagsfestigkeit cder Nadellöcher der Isolierschicht verursacht würde.
Andererseits macht es die Elektronen emittierende Vorrichtung mit einem Aufbau, wie er in Fig. 7 gezeigt ist, unnötig, daß die Elektroden durch die Isolierschicht getragen werden, und ermöglicht es auch, den Abstand der einander gegenüberliegenden Elektroden durch Nutzung des abgestuften Abschnitts zu gewinnen, so daß, wenn beispielsweise das die Elektroden tragende Substrat selbst zur Bildung des abgestuften Abschnitts geätzt wird, sich eine Elektronen emittierende Vorrichtung ergibt, die ohne Bildung irgendeiner Isolierschicht erzeugt werden kann, was die Herstellungsschritte vereinfacht.
Die Elektronen emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann weiterhin den in Fig. 4 gezeigten Aufbau haben.
In Fig. 4 bezeichnen die Bezugsziffern 1 bis 5 dieselben Teile wie in Fig. 3. Bei der vorliegenden Figur bezeichnet die Bezugsziffer 8 eine Zwischenschicht, die zwischen der Isolierschicht 5 und der Elektrode 2 angeordnet ist, so daß eine mehrschichtige Elektrode gebildet wird. Die Zwischenschicht 8 spielt insofern eine Rolle, als sie die Wirkung des Verhinderns von Sputterschäden zeigt, die durch Elektronen oder Ionen in der Elektrode 2 hervorgerufen werden könnten, oder den Effekt einer erleichternden Elektronenemission. Als Zwischenschicht 8 können hochschmelzende Materialien wie beispielsweise W, LaB&sub6;, Kohlenstoff, TiC oder TaC verwendet werden, um die Sputterschäden zu verringern, oder es können Materialien mit einer niedrigen Austrittsarbeit, wie etwa SnO&sub2;, In&sub2;O&sub3;, LaB&sub6;, BaO, CS oder CSO, verwendet werden, um eine Verbesserung in der Wirksamkeit der Elektronenemission zu erreichen.
Es kann auch ein Laminat oder eine Mischung verwendet werden, die diese beiden Materialarten umfaßt. Natürlich kann ein ähnlicher Effekt auch erreicht werden, wenn die Zwischenschicht 8 auf der Elektrode 1 vorgesehen ist, um eine Mehrschichtelektrode zu bilden. Weiterhin können, wenn beide Elektroden so hergestellt werden, daß sie Mehrschichtelektroden darstellen, geeignete Materialien für die Zwischenschicht für jede Elektrode ausgewählt werden. Weiter kann ein Laminat mit einer Isolierschicht 5a, einer Elektronen emittierenden Schicht 3a und einer Isolierschicht 5b so gefertigt sein, daß es ein Mehrschichtlaminat umfaßt, das beispielsweise aus einer Isolierschicht 5a, einer Elektronen emittierenden Schicht 3a, einer Isolierschicht 5b, einer Elektronen emittierenden Schicht 3a, einer Isolierschicht 5a und einer Elektronen emittierenden Schicht 3a gebildet ist. Mindestens eine Schicht der Mehrschichtelektroden, beispielhaft dargestellt durch die Elektrode 2 in Fig. 4, kann weiter vorzugsweise aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit gebildet sein. Dies liegt daran, daß die Materialien für die Zwischenschicht 8 Materialien mit relativ niedriger elektrischer Leitfähigkeit, wie Elektrodenverdrahtungsmaterialien, sind.
Ein übermäßig hoher Verdrahtungs- bzw. Anschlußwiderstand einer Vorrichtung kann ein Ansteigen des Stromverbrauches oder eine Verzögerung der Ansteuersignale bewirken, was zu unerwünschten Ansteuereigenschaften der Vorrichtung führt. Aus diesem Grund werden Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit in der Elektrode 2 verwendet, um ein niedriges Niveau des Verdrahtungswiderstandes der gesamten Mehrschichtelektrode einzuhalten. Als derartige Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit sind Ag, Al, Cu, Cr, Ni, Mo, Ta, W etc. einsetzbar.
In Fig. 4 können, wenn die Elektronen emittierende Schicht 3a ein Material aufweist, das geringe Sputterschäden erleidet oder eine niedrige Austrittsarbeit hat, die Zwischenschicht 8 oder die Elektrode 1 und die Zwischenschicht 8 unter Verwendung derselben Materialien wie bei der Elektronen emittierenden Schicht 3a gebildet werden.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine Elektronen emittierende Vorrichtung bereit, die einen Vorrichtungsaufbau hat, bei dem eine Isolierschicht zwischen einander gegenüberliegenden Elektroden gebildet ist und kleine Teilchen in der Isolierschicht enthalten und gleichzeitig in einem dispergierten Zustand angeordnet sind.
Die Anwendung des oben beschriebenen Vorrichtungsaufbaues der vorliegenden Erfindung kann nicht nur die eingangs diskutierten Probleme des Standes der Technik lösen, sondern auch eine Elektronen emittierende Vorrichtung ergeben, bei der ein emittierter elektrischer Strom hoher Dichte unter Einsatz niedriger elektrischer Leistung erreichbar ist und bei der auch der Inselabstand und die Inselgröße der oben erwähnten Inseln gesteuert werden können. Diese Elektronen emittierende Vorrichtung wird unten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
In Fig. 8 ist auf einem Substrat 4, etwa aus Glas oder Keramik, eine Isolierschicht 11 vorgesehen, und darauf sind weiterhin Elektroden 1 und 2 aus Materialien mit niedrigem Widerstand zur Anwendung in der Leistungselektronik so angeordnet, daß sie einen kleinen Abstand ergeben und zwischen ihnen ein unzusammenhängendes Elektronen emittierendes Gebiet 10 gebildet ist, das feine Teilchen 9 aufweist. Obgleich dies in der Zeichnung nicht gezeigt ist, wird ein Zwischenraum bzw. Abstand auf einer oberen Fläche der Elektronen emittierenden Zone benutzt, um dort eine Ableitelektrode zum Ableiten emittierter Elektronen vorzusehen. Das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 1 und 2 im Vakuum (diese Spannung wird als Vf angenommen) erzeugt einen elektrischen Stromfluß zwischen den Elektroden (If), um eine Spannung unter Verwendung der Ableitelektrode als Anode anzulegen, so daß Elektronen aus der Elektronen emittierenden Zone in Richtung im wesentlichen senkrecht zur Papierebene in der Zeichnung emittiert werden. (Der elektrische Strom für diese Elektronenemission wird als Ie angenommen.
Fig. 9 und Fig. 10 zeigen schematische Querschnitte in A-B- Richtung in Fig. 8. In den vorliegenden Figuren können die feinen Teilchen auf dem Substrat 4 bevorzugt einen Teilchendurchmesser von einigen nm (einigen 10 Å) bis einigen um haben, und der Abstand zwischen den feinen Teilchen kann weiterhin vorzugsweise jeweils im Bereich von einigen nm (einigen 10 Å) bis zu einigen um betragen.
Materialien für die bei der vorliegenden Erfindung benutzten feinen bzw. kleinen Teilchen können aus einem breiten Auswahlbereich gewählt sein, zu dem nahezu alle leitenden Materialien unter Verwendung herkömmlicher Metalle, Halbmetalle und Halbleiter gehören. Besonders geeignet sind übliche Kathodenmaterialien, die Eigenschaften wie eine niedrige Austrittsarbeit, einen hohen Schmelzpunkt und einen niedrigen Dampfdruck haben, Dünnschichtmaterialien, die zur Bildung der Elektronen emittierenden Vorrichtung vom Oberflächenleitungstyp mittels der herkömmlichen Formierungs-Behandlung geeignet sind, und Materialien mit einem hohen Koeffizienten der Sekundärelektronenemission.
Geeignete Materialien können aus solchen Materialien entsprechend den Anwendungszwecken und als feine Teilchen verwendet werden, so daß eine gewünschte Elektronen emittierende Vorrichtung gebildet werden kann.
Dazu können beispielsweise speziell Boride wie LaB&sub6;, CeB&sub6; YB&sub4; und GdB&sub4;, Carbide wie TiC, ZrC, HfC, TaC, SiC und WC, Nitride wie TiN, ZrN und HfN, Metalle wie Nb, Mo, Rh, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt, Ti, Au, Ag, Cu, Cr, Al, Co, Ni, Fe, Pb, Pd, Cs und Ba, Metalloxide wie In&sub2;O&sub3;, SnO&sub2; und Sb&sub2;O&sub3;, Halbleiter wie Si und Ge, Kohlenstoff und AgMg gehoren. Die vorliegende Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf die genannten Materialien beschränkt. Weiterhin kann bei der vorliegenden Erfindung auch so vorgegangen werden, daß verschiedene Materialien aus den oben genannten Materialien ausgewählt und feine Teilchen zweier oder mehrerer verschiedener Materialarten dispergiert werden.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung beschrieben.
Die Figuren 11 (1) bis (5) zeigen Querschnitte einer Vorrichtung für jeweils einen Herstellungsschritt.
(1) Die Oberfläche eines aus Glas oder Keramik bestehenden Substrates 4 wird entfettet und gereinigt.
(2) Eine Isolierschicht 11, die aus einem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt besteht, wird als Film auf der Oberfläche des Substrates 4 durch Flüssigbeschichten und Backen bzw. Härten, Aufdrucken und Härten, Vakuumabscheidung oder ein ähnliches Verfahren gebildet. Als Glas mit niedrigem Schmelzpunkt bevorzugt einsetzbare Materialien sind solche, die eine Erweichungstemperatur unterhalb der Verwerfungstemperatur des Substrates und gleichzeitig einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der nahe bei demjenigen des Substrates liegt. Allgemein hat ein Bleioxidglas mit niedrigem Schmelzpunkt einen Erweichungspunkt von etwa 400ºC und auch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der nahe dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines allgemein verwendeten Soda-Kalk-Glassubstrates ist. Die Isolierschicht 11 kann vorzugsweise so gebildet werden, daß sie ungefähr eine Dicke im Bereich von einigen nm (einigen 10 Å) bis einigen 10 um hat.
(3) Auf der in (2) erhaltenen Isolierschicht werden Elektroden 1 und 2 durch Vakuumabscheidung, photolithographisches Ätzen, Lift-off, Aufdrucken oder ein ähnliches Verfahren gebildet.
Als Elektrodenmaterialien einsetzbar sind dieselben Materialien wie diejenigen, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 genannt wurden, d.h. Au, Ag, Cu, Mo, Cr, Ni, Al, Ta, Pd und W, oder eine Legierung aus solchen, oder Kohlenstoff etc., und die Elektroden 1 und 2 können zweckmäßig eine Dicke von einigen 10 nm (einigen 100 Å) bis einigen um, vorzugsweise von 0,01 bis 2 um, haben.
Was die Größe des Elektrodenabstandes L angeht, so können die Elektroden zweckmäßigerweise einander mit einem Abstand von einigen 10 nm (einigen 100 Å) bis zu einigen 10 um beabstandet sein, und die Breite W des Abstandsbereiches kann zweckmäßigerweise im Bereich von einigen um bis zu einigen mm liegen. Beide Größen sind jedoch durch diese Angaben in keiner Weise beschränkt.
(4) Als nächstes werden die feinen Teilchen 9 auf den in (3) erhaltenen Elektrodenlückenabschnitt aufgebracht. Bei der Beschichtung wird eine Dispersion von feinen Teilchen verwendet. Die feinen Teilchen und ein Zusatzstoff, der die Dispergierung der feinen Teilchen fördert, werden einem organischen Lösungsmittel, das durch Butylacetat, Alkohol u.ä. gebildet ist, hinzugefügt, worauf ein Umrühren o.ä. erfolgt, um die Dispersion der feinen Teilchen zu präparieren. Diese Dispersion der feinen Teilchen wird auf die Oberfläche des Exemplars durch Eintauchen, Schleuderbeschichtung oder ein ähnliches Verfahren aufgebracht, und dann wird für etwa 10 Minuten bei einer Temperatur, bei der das Lösungsmittel o.ä. verdampfen kann - beispielsweise bei 250ºC - ein Brennen ausgeführt. So werden die feinen Teilchen auf die Oberfläche der Isolierschicht 11 im Elektroden-Abstandsbereich L aufgebracht. Natürlich sind die feinen Teilchen 9 auf der gesamten Oberfläche des Gegenstandes angeordnet, dies führt aber zu keinerlei Schwierigkeiten, weil im wesentlichen Keine Spannung an die feinen Teilchen 9 außerhalb des Elektroden-Abstandsberelches L angelegt wird, wenn Elektronen emittiert werden. Dies ist daher in der Zeichnung nicht dargestellt. Die Dichte der Anordnung der feinen Teilchen 9 kann in Abhängigkeit von den Beschichtungsbedingungen und der Art und Weise der Präparation der Dispersion der feinen Teilchen variieren, und dementsprechend kann auch der Betrag der zum Elektroden-Abstandsbereich L fließenden elektrischen Ströme variieren. Zusätzlich zur oben erwähnten Bildung durch Beschichten ist auch ein Verfahren zum Dispergieren der feinen Teilchen 9 auf das in (3) erhaltene Elektroden- Abstandsgebiet verfügbar, bei dem beispielsweise eine Lösung einer organischen Verbindung auf das Substrat aufgebracht wird, worauf eine thermische Zersetzung folgt, um Metallteilchen zu erzeugen. Was die für Vakuumabscheidung geeigneten Materialien angeht, können die feinen Teilchen auch durch Steuerung der Vakuumabscheidungsbedingungen, etwa der Substrattemperatur, oder durch ähnliche Mittel wie die Vakuumabscheidung, etwa die maskierte Vakuumabscheidung, gebildet werden.
(5) Danach wird der durch die Schritte bis (4) erhaltene Gegenstand auf eine Temperatur aufgeheizt, die höher als der Erweichungspunkt des die Isolierschicht 11 bildenden Glases mit niedrigem Schmelzpunkt ist, beispielsweise auf 450ºC, wenn es sich um ein niedrigschmelzendes Glas vom Bleioxidtyp handelt, um für etwa 20 Minuten ein Backen oder Brennen auszuführen. Bei diesem Vorgang dringen die auf der aus dem niedrigschmelzenden Glas gebildeten Isolierschicht 11 angeordneten feinen Teilchen 9 in das niedrigschmelzende Glas ein, was dazu führt, daß sie in der Isolierschicht 11 eingeschlossen oder in dem Maße eingeschlossen sind, daß mindestens ein Teil der Teilchen außerhalb der Isolierschicht 11 freiliegt und dann dort fixiert ist.
Ob die feinen Teilchen 9 in den Zustand gebracht werden, daß sie sämtlich in die Isolierschicht 11 eingeschlossen sind, oder in den Zustand, daß nur ein Teil eines Teilchens in die Isolierschicht 11 in dem Sinne eindringt, daß die Oberfläche freiliegend bleibt, kann durch geeignete Auswahl der Backtemperatur im Schritt (5) eingestellt werden.
Je höher die Backtemperatur ist, desto leichter dringen die feinen Teilchen 9 tief in die Isolierschicht 11 ein und werden in dieser eingeschlossen und fixiert. Eine niedrigere Backtemperatur kann es den feinen Teilchen 9 erschweren, in die Isolierschicht 11 einzudringen, und führt tendentiell dazu, daß sie in der freiliegenden Form fixiert sind.
Einige der in bezug auf die oben beschriebene Ausführungsform aufgelisteten Teilchen, wie etwa Pd, können auf ihrer Oberfläche im Ergebnis der Erwärmung im obigen Schritt (5) mit Oxidfilmen bedeckt sein, was zu einem Absinken der Größe des in den Elektroden-Abstandsbereich L fließenden elektrischen Stromes führt. Daher kann - falls erforderlich - ein Schritt des Ätzens eingefügt werden, um den Oxidfilm zu entfernen.
In der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung auch dadurch gebildet werden, daß die feinen Teilchen 9 dazu gebracht werden, vollständig in der Isolierschicht 11 eingeschlossen zu sein, und daß anschließend ein Ätzen ausgeführt wird, mit dem ein Freiliegen eines Teils jedes Teilchens erreicht wird.
Nicht nur die gemäß den oben genannten Präparationsschritten präparierte Vorrichtung mit dem in Fig. 11 dargestellten Aufbau, sondern auch die Vorrichtungen, die den in Fig. 12 und in Fig. 13(a) und (b) gezeigten Aufbau haben, können gute Ergebnisse erbringen.
Jetzt werden die Präparationsschritte in Fig. 12 beschrieben.
Elektroden 1 und 2 werden auf einem Substrat 4 gebildet, auf das eine Dispersion feiner Teilchen oder eine durch Mischen von niedrigschmelzender Glasfritte in eine Lösung organischer Metallverbindungen präparierte Dispersion in der Umgebung des Elektroden-Abstandsgebietes L aufgebracht wird, worauf ein Backen bei einer Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur der niedrigschmelzenden Glasfritte folgt, um zu bewirken, daß die feinen Teilchen in die Isolierschicht 11 aus dem niedrigschmelzenden Glas eingeschlossen werden oder mindestens ein Teil von ihnen freiliegt und dann fixiert wird. Hier wird die Backtemperatur auf einen höheren Wert (beispielsweise 650ºC) eingestellt, was eine Glättung der Isolierschicht 11 zur Bildung einer zusammenhängenden Schicht ermöglicht.
In der Figur kann die Isolierschicht 11 vorzugsweise so gebildet werden, daß sie eine ungefähre Schichtdicke im Bereich von einigen nm (einigen 10 Å) bis zu einigen um hat.
Hierbei kann eine Flüssigbeschichtungs-Isolierschicht (beispielsweise Tokyo Ohka OCD, eine SiO&sub2;-Isolierschicht) anstelle der niedrigschmelzenden Glasfritte verwendet werden.
In dem Fall, daß die Flüssigbeschichtungs-Isolierschicht verwendet wird, ist es auch möglich, die Elektronen emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung auf die folgende Weise herzustellen: Zuerst wird auf dem Substrat 4 durch Flüssigbeschichtung die die feinen Teilchen 9 enthaltende Isolierschicht 11 aufgebaut. Sie kann durch Aufbringen der in eine flüssige Beschichtungsmischung eingemischten und dispergierten feinen Teilchen auf ein Substrat durch Schleuderbeschichtung, Eintauchbeschichtung o.ä. erhalten werden.
Als nächstes werden auf der Isolierschicht 11 nach den oben erwähnten Verfahren, etwa Vakuumabscheidung, Elektroden gebildet, um eine Elektronen emittierende Vorrichtung herzustellen.
Bei diesem Verfahren werden die feinen Teilchen auf das Substrat in einem Zustand aufgebracht, in dem sie in die flüssige Beschichtungsmischung o.ä. eingemischt und in dieser dispergiert sind, um die Isolierschicht zu erhalten, und daher bleiben sie auch nach dem Auftragen und Backen in einem guten Zustand in der durch das Auftragen der flüssigen Beschichtungsmischung zur Gewinnung der Isolierschicht gebildeten Schicht. Dementsprechend unterliegen die feinen Teilchen einer geringeren Verklumpung bzw. Agglomeration und können in der Isolierschicht, die durch die Flüssigbeschichtung erhalten wurde, gleichmäßig dispergiert sein.
Weiter ist, da beim vorliegenden Aufbau die die feinen Teilchen enthaltende Isolierschicht zuerst auf dem Substrat gebildet wird, die Substratoberfläche vor der Bildung der Isolierschicht gewöhnlich eine gleichmäßige Oberfläche ohne irgendein spezielles Muster oder besondere Rauhigkeit. Daher gibt es, weil die die feinen Teilchen enthaltende Isolierschicht durch Beschichten und Backen auf dieser gleichmäßigen Oberfläche gebildet wird, keine Ungleichmäßigkeit in der Schichtdicke oder der Dispersion der feinen Teilchen infolge von Beschichtungs-Unebenheiten in einem Teil des Musters oder von Rauhigkeit, so daß eine Tragschicht, in der die feinen Teilchen dispergiert sind, gleichmäßig auf der Substratoberfläche gebildet werden kann. Die Erzeugung einer Isolierschicht, die derart gleichmäßig ist, kann die Unregelmäßigkeiten o.ä. in den Vorrichtungs-Eigenschaften verringern, wenn eine Anzahl von Elektronen emittierenden Vorrichtungen auf demselben Substrat gebildet wird.
Weiterhin durchlaufen, obgleich beim vorliegenden Aufbau ein Schritt des Aufheizens auf etwa 400ºC oder mehr in der Atmosphäre notwendig wird, beispielsweise wenn die Isolierschicht vom Oxid-Typ unter Anwendung der flüssigen Beschichtungsmischung gebildet wird, die Elektroden selbst keinen Heizschritt, weil die Formierungs-Aufheizung der Isolierschicht vor der Bildung der Elektrcden ausgeführt wird. Daher muß einer thermischen Oxidaticn der Elektroden oder einer thermischen Diffusion bezüglich der Isolierschicht keine Aufmerksamkeit geschenkt werden, was eine Ausdehnung des Auswahlbereiches für die Elektrodenmaterialien erlaubt.
Daher können die Materialien in Abhängigkeit von Bedingungen wie der Dielektrizitätskonstanten, der Temperaturbeständigkeit, der Bearbeitbarkeit, der Oxidationsbeständigkeit, der Lebensdauer, dem spezifischen Widerstand und dem Betrag des elektrischen Stromes, der aus ihnen gezogen werden kann, geeignet gewählt werden. Die Materialien für die Isolierschicht können - wie oben beschrieben - SiO&sub2;, MgO, TiO&sub2;, Ta&sub2;O&sub5; und Al&sub2;O&sub3; oder ein Laminat oder eine Mischung aus diesen umfassen. Die Schichtdicke kann von etwa 1 nm (10 Å) bis zu einigen um oder ähnlich betragen, was die Dicke ist, die zum Dispergieren und zur Fixierung der feinen Teilchen 9 benötigt wird.
Die Elektronen emittierende Vorrichtung kann auch den in Fig. 13 dargestellten Aufbau haben.
Bei der in Fig. 13 dargestellten Elektronen emittierenden Vorrichtung wird eine feine Teilchendispersion, die durch Mischen von niedrigschmelzender Glasfritte präpariert wird, für die Isolierschicht 11 aufgebracht (dies wird hier auf dieselbe Weise ausgeführt, wie in bezug zu Fig. 12 beschrieben) , und danach wird die Isolierschicht 11 in eine unzusammenhängende inselartige Schicht überführt, indem die Backtemperatur auf einen etwas niedrigeren Wert eingestellt wird (beispielsweise etwa 500ºC)
Bei der in Fig. 13 dargestellten Elektronen emittierenden Vorrichtung bedeckt die Isolierschicht 11 den Elektroden-Abstandsbereich L nicht vollständig, wie in der Figur dargestellt, so daß sie die Form annimmt, daß die Elektrodenenden der Elektroden 1 und 2 auf der Seite des Elektroden-Abstandsbereichs L, d.h. der Teil, in dem das höchste elektrische Feld erzeugt wird, mit der Oberfläche und dem inneren der Isolierschicht 11 verbunden ist. Aus diesem Grunde werden die Freiheitsgrade für den Grad des elektrischen Stromflusses größer, so daß der Betrag des zwischen den Elektroden fließenden elektrischen Stromes gegenüber der Vorrichtung nach Fig. 12 erhöht werden kann.
Sowohl die Elektronen emittierende Vorrichtung der Fig. 12 als auch die Elektronen emittierende Vorrichtung der Fig. 13, bei denen die Isolierschicht und die feinen Teilchen gleichzeitig gebildet werden können, haben den Vorteil, daß die Präparationsschritte vereinfacht werden.
Die Elektronen emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann weiter eine Vorrichtung einschließen, die den in Fig. 14 (5) dargestellten Aufbau hat.
In Fig. 14 bezeichnet die Bezugsziffer 4 ein Substrat, 1 und 2 sind Elektroden, 9 feine Teilchen und 11 eine Isolierschicht.
Fig. 14 (1) bis (5) stellen Querschnitte der Vorrichtung in jeweils einem Präparationsschritt dar.
1) Die Oberfläche des Substrates 4 wird entfettet und gereinigt.
2) Die Elektroden 1 und 2 werden auf dieselbe Weise wie im Schritt (3) in Fig. 11 gebildet.
3) Die feinen Teilchen werden auf dieselbe Weise dispergiert, wie im Schritt (4) in Fig. 11 gezeigt.
4) Die Isolierschicht 11 wird durch ein Verfahren der Elektronenstrahl-Vakuumabscheidung, des Sputterns oder der Vakuumabscheidung - etwa Plasma-CVD, Hochtemperatur-CVD - oder einen ähnlichen Prozeß gebildet. Als Materialien für die Isolierschicht 11 sind Oxide wie etwa SiO&sub2; oder Al&sub2;O&sub3;, Nitride wie Si&sub3;N&sub4;, Carbide wie SiC oder TiC sowie Glas einsetzbar, die durch Vakuumabscheidung oder Lösungs-Beschichtung und Backen erhalten werden, sowie Isolierschichten, die organische Polymere wie etwa Polyimide aufweisen. Weiterhin kann die Schicht 11 vorzugsweise eine Schichtdicke von einigen nm (einigen 10 Å) bis zu einigen um haben. Hier wird allgemein die Isolierschicht 11 auch auf die Oberfläche der feinen Teilchen 9 abgeschieden, und zwar derart, daß die Teilchendurchmesser der feinen Teilchen 9 Ausbeulungen erzeugen können.
Die gemäß den obigen Schritten 1) bis 4) hergestellte Elektronen emittierende Vorrichtung kann als Vorrichtung dienen, die im Vergleich zu der unter Anwendung einer Formierung hergestellten herkömmlichen Vorrichtung weit überlegene Eigenschaften hat. Bei der Elektronen emittierenden Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann bereits die gemäß den Schritten 1) bis 4) erhaltene Vorrichtung hinreichend gute Eigenschaften zeigen, bevorzugt ist aber eine Vorrichtung, die unter Anwendung des folgenden Schrittes 5) gebildet wurde, da das Ausmaß des Freiliegens der in der Isolierschicht fixierten feinen Teilchen durch Einstellung der Abscheidungsdicke der Isolierschicht und des Ätzbetrages eingestellt werden kann und es weiterhin möglich wird, den elektrischen Strom zwischen den Elektroden und auch den Betrag der Elektronenemission zu steuern.
5) Es wird ein Ätzen auf die Oberflächen der Ausbeulungen in der Isolierschicht 11, die bei 4) erhalten wurden, angewandt. Beispielsweise kann eine Ionenabtragung in einem Zustand ausgeführt werden, in dem die Proben bzw. Gegenstände geneigt eingestellt sind, so daß die Oberflächen der Ausbeulungen der Isolierschicht 11 geätzt werden. Im Ergebnis dessen wird eine Struktur erzielt, in der ein Teil jedes feinen Teilchens 9 gegenüber der Isolierschicht 11 in den geätzten Abschnitten freiliegt und in der Isolierschicht 11 fixiert ist.
Zusätzlich zu den obigen Schritten 1) bis 5) kann das niedrigschmelzende Glas als Material für die Isolierschicht 11 verwendet werden und nach dem Schritt 5) in Fig. 14 die Probe bei einer höheren Temperatur als der Erweichungspunkt des niedrigschmelzenden Glases gebacken werden, so daß die feinen Teilchen 9 noch besser in der das niedrigschmelzende Glas enthaltenden Isolierschicht 11 fixiert sind. Dies ermöglicht die Erzeugung einer noch stabileren Elektronen emittierenden Vorrichtung.
Die Elektronen emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann auch Ausführungen wie die in Fig. 15 (a) und (b) und Fig. 16 (a) und (b) dargestellten umfassen.
In Fig. 15 bezeichnet die Bezugsziffer 12 ein Substrat, das Metalle 13 - wie etwa Ag, Ba, Pb, W oder Sn - oder Metalloxide 13 - wie BaO, PbO oder SnO&sub2; -, abgeschieden in porösem Glas, aufweist. Die Bezugsziffern 1 und 2 bezeichnen auf dem Substrat angeordnete Elektroden.
Als das erwähnte poröse Glas sind Vicor-Glas (Warenzeichen) lieferbar von Corning Glass Works, oder das poröse Glas MPG, lieferbar von Asahi Glass Co., Ltd., oder Gläser mit einer Porengröße von 40 nm (40 Å) bis 5 tjm, bevorzugt mit einer Porengröße von 10 nm (100 Å) bis 0,5 um, einsetzbar. Kleine Metall- oder Metalloxid-Teilchen mit einer Größe gleich der oder kleiner als die Porengrößen sind in den Poren abgeschieden. Die vorliegende Ausführungsform muß nicht auf poröses Glas beschränkt sein, und dazu können Ausführungsformen gehören, die durch Aufrauhung der Glasoberfläche mit einer wäßrigen Flußsäurelösung erhalten wurden, oder andere poröse isolierende Substrate.
Das Einbringen von abzuscheldenden und zu fixierenden Metallen in die Poren von porösem Glas kann durch allgemein verfügbare Verfahren erfolgen, beispielsweise ein Verfahren, bei dem poröses Glas mit einer wäßrigen Lösung eines Nitrates, wie etwa AgNO&sub3;, Ba(NO&sub3;)&sub2; und PbNO&sub3;, oder einer wäßrigen Schwefelsäurelösung getränkt wird, worauf ein Trocknen und danach ein Backen in einer reduzierenden Atmosphäre folgt. Um die Metalloxide abzuscheiden, können die abgeschiedenen Metalle bei einer geeigneten Temperatur und in einer Sauerstoffatmosphäre gebacken werden.
Beim Einbringen der Metalle oder Metalloxide, die aus der Oberfläche des porösen Glases hervorstehen sollen, kann die Glasoberfläche für 1 Minute mit einer Flußsäurelösung behandelt werden, worauf ein Waschen und ein Trocknen folgt. Auf diese Weise kann ein gewünschtes Substrat 12 präpariert werden.
Das oben genannte Substrat 12 kann wegen der Rauhigkeit der Oberfläche des porösen Glases vorzugsweise eine Dicke von 0,5 um oder mehr haben.
In Fig. 16 bezeichnet die Bezugsziffer 14 ein Glassubstrat, das allgemein als farbiges Glas bezeichnet wird und ein Glas darstellt, welches feine, kolloidale Metallteilchen 15 enthält. Die Bezugsziffer 1 oder 2 bezeichnet eine auf dem Substrat angeordnete Elektrode. Die feinen, kolloidalen Metallteilchen im farbigen Glas können zweckmäßigerweise einen Teilchendurchmesser im Bereich von 2 nm (20 Å) bis 600 nm (6000 Å), spezieller von 10 nm (100 Å) bis 200 nm (2000 Å), haben, Weiterhin kann die Dichte der kleinen Teilchen, obgleich sie in Abhängigkeit vom Teilchendurchmesser oder den Materialien für die feinen Teilchen variabel ist, zweckmäßigerweise derart sein, daß die Teilchen räumlich voneinander getrennt und bei Anlegen einer Ansteuerspannung elektrisch miteinander verbunden sind. Um ein solches farbiges Glas herzustellen, kann leicht ein üblicherweise oft verwendetes Verfahren angewandt werden, nämlich das Verfahren, bei dem färbende Ausgangsstoffe, wie etwa AuCl&sub3; oder AgNO&sub3;, In Hauptbestandteilen des Glases gelöst werden, welches dann für 10 bis 20 Minuten einer Wärmebehandlung bei Temperaturen im Bereich von 600ºC bis 900ºC ausgesetzt wird, um feine, kolloidale Gold- oder Silberteilchen im Glas abzuscheiden. In dem mittels eines solchen bekannten Verfahrens präparierten Substrat sind die feinen Metallteilchen nur wenig außerhalb der Glasoberfläche abgeschieden, so daß diese eine gute Ebenheit der Substratoberfläche haben, auf der die Elektroden gebildet werden, was den Vorteil mit sich bringt, daß die Elektroden bei dieser Vorrichtung mit geringerer Dicke gebildet werden können.
Bei dieser Vorrichtung kann die Substratoberfläche, nachdem die feinen Metallteilchen im Glas abgeschieden wurden, auch mit einer wäßrigen Flußsäurelösung auf dieselbe Weise, wie es in bezug auf die obige Fig. 15 beschrieben wurde, behandelt werden, so daß die Metall-Kolloide in großer Anzahl aus der Glassubstrat-Oberfläche hervorstehen können, womit der mit der vorliegenden Erfindung beabsichtigte Effekt erreicht wird.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine Elektronen emittierende Vorrichtung bereit, die durch einen Vorrichtungsaufbau gekennzeichnet ist, der eine zwischeneinander gegenüberliegenden Elektroden gebildete Halbleiterschicht und auf der Halbleiterschicht in einem dispergierten Zustand angeordnete feine Teilchen umfaßt.
Bei der Elektronen emittierenden Vorrichtung der vorliegenden Erfindung führt das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden zur Emission von Elektronen aus den feinen Teilchen, die leitend sind.
Die Nutzung eines solchen Vorrichtungsaufbaues kann nicht nur die eingangs diskutierten Probleme des Standes der Technik lösen, sondern auch eine Elektronen emittierende Vorrichtung liefern, die zur Erzielung emittierter elektrischer Ströme hoher Dichte mit niedriger elektrischer Leistung in der Lage ist.
Nachfolgend wird eine Beschreibung aufgrund der Fig. 17 gegeben.
In der Figur sind Elektroden 1 und 2 auf einem Substrat 4 vorgesehen, die einen kleinen Zwischenraum ergeben, um eine unzusammenhängende Elektronen emittierende Zone zwischen sich zu bilden, die dispergierte feine Teilchen 9 aufweist. Die Bezugsziffer 16 bezeichnet eine auf mindestens einem Elektroden-Abstandsbereich L gebildete Halbleiterschicht.
Fig. 18 ist eine schematische Querschnittsdarstellung in Richtung C-D in Fig. 17. In der Figur sind die Art, der Teilchendurchmesser und der Abstand zwischen den feinen Teilchen auf dem Substrat 4 derart, wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Präparation der in Fig. 17 dargestellten Vorrichtung beschrieben.
Die Figuren 19 (1) bis (3) sind Querschnittsdarstellungen einer Vorrichtung für jeweils einen Präparationsschritt.
(1) Die Oberfläche eines aus Glas oder Keramik gebildeten Substrats 4 wird entfettet und gereinigt.
(2) Auf der gemäß (1) erhaltenen Isolierschicht werden durch Vakuumabscheidung, photolithographisches Ätzen, Liftoff, Drucken oder ein ähnliches Verfahren Elektroden 1 und 2 gebildet.
(3) Als nächstes werden die feinen Teilchen 9 auf das in (2) erhaltene Elektrodenabstandsgebiet aufgebracht. Bei der Beschichtung wird eine Dispersion der feinen Teilchen verwendet. Die feinen Teilchen und ein organisches Bindemittel, welches das Dispergieren der feinen Teilchen fördert, werden einem organischen Lösungsmittel, das durch Butylacetat, Alkohol, Keton o.ä. gebildet ist, hinzugefügt, worauf ein Umrühren o.ä. folgt, wodurch die Dispersion der feinen Teilchen gebildet wird. Als organisches Bindemittel sind Butyralharze, Acrylharze, Vinylchlorid-Vinylacetat-Copolymere, Phenolharze, Polyamide, Polyester und Urethane einsetzbar.
Nachfolgend wird ein Beispiel für Verfahren zur Präparation der Dispersion der feinen Teilchen dargestellt.
Feine Teilchen, SnO&sub2; 1 g
(Durchmesser der feinen Teilchen: 10 bis 100 nm (100 bis 1000 Å)
Organisches Lösungsmittel, MEK (Methylethylketon) :
Cyclohexan = 3 : 1 1000 cc
Organisches Bindemittel, Butyral 1 g
Die genannten Materialien wurden in einem Farbmischer für 3 Stunden mit Glaskugeln gerührt, um eine Dispersion herzustellen.
Diese Dispersion aus feinen Teilchen wird durch Eintauchen, Schleuderbeschichtung oder ein ähnliches Verfahren auf die Oberfläche einer Probe aufgebracht, und dann wird für etwa 10 Minuten ein Backen bei einer Temperatur ausgeführt, bei der das Lösungsmittel o.ä. verdampft und auch das organische Bindemittel carbonisiert wird, um eine Halbleiterschicht zu ergeben, beispielsweise bei 250ºC. So werden die Halbleiterschichten 16 und die feinen Teilchen 9 auf dem Elektroden- Abstandsbereich L angeordnet. Natürlich sind die Halbleiterschicht 16 und die feinen Teilchen 9 auf der gesamten Oberfläche der Probe angeordnet, dies führt aber zu keinerlei Schwierigkeiten, weil außerhalb des Elektroden-Abstandsbereiches L im wesentlichen keine Spannung an die Halbleiterschicht 16 und die feinen Teilchen 9 angelegt wird, wenn Elektronen emittiert werden. Die Dicke der Halbleiterschicht 16 und die Dichte der Anordnung der feinen Teilchen 9 können in Abhängigkeit von den Abschaltungsbedingungen und der Art der Präparation der Dispersion der feinen Teilchen variieren, und dementsprechend kann auch die Höhe der zum Elektroden-Abstandsbereich L fließenden elektrischen Ströme variieren.
Zusätzlich zur oben beschriebenen Herstellung durch Beschichten ist auch als ein Verfahren zur Dispergierung der feinen Teilchen 9 auf den in (2) erhaltenen Elektroden- Lückenbereich beispielsweise ein Verfahren verfügbar, bei dem eine Lösung einer organischen Verbindung auf das Substrat aufgebracht wird, worauf eine thermische Zersetzung folgt, um Metallteilchen zu bilden. Als Beispiel wird eine Lösung aus den unten angegebenen Materialien präpariert:
Material der feinen Teilchen: Organische Pd- Metallverbindung (Gewicht als Pd-Metallgewicht berechnet) 3 g
Organisches Lösungsmittel: Butylacetat 1000 g
Organisches Bindemittel: Butyral 1 g
Diese organische Pd-Metallverbindungslösung wird aufgetragen, worauf eine Erwärmung folgt, so daß die Pd enthaltenden feinen Teilchen 9 und die Isolierschicht 16 gewonnen werden können.
Die Halbleiterschicht 16 stellt einen Film dar, der hauptsächlich aus dem durch das Backen erhaltenen Kohlenstoff besteht. Dies ist eine Halbleiterschicht mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 1 x 10&supmin;³ Ω cm (Ohm cm) oder mehr.
Bei dem entsprechend den obigen Schritten erhaltenen Gegenstand wird die Dicke der Halbleiterschicht 16 kleiner als der Teilchendurchmesser der feinen Teilchen 9. Mit anderen Worten, hat er einen derartigen Aufbau, daß die feinen Teilchen 9, obgleich sie in die Halbleiterschlcht 16 eingebettet sind, auf die Weise fixiert sind, daß sie teilweise hervorstehen (Fig. 18).
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform sind die feinen Teilchen 9 in einer derartigen Struktur angeordnet, daß sie aus der Halbleiterschicht 16 hervorstehen. Hier können die feinen Teilchen 9 mit einem Kohlenstoffilm bedeckt sein, der durch weiteres Aufbringen nur der Lösung des organischen Bindemittels auf die Oberfläche dieser Vorrichtung, gefolgt durch ein Backen, erhalten wird, so daß dieser eine Struktur gegeben werden kann, bei der die feinen Teilchen 9 in die Halbleiterschicht 16 eingeschlossen sind, wie in Fig. 20 dargestellt.
Das Verhältnis von Kohlenstoff zu feinen Teilchen in der Beschichtungslösung kann geändert werden, um den Kohlenstoffanteil zu erhöhen, und weiterhin kann die Beschichtungsmenge erhöht werden, so daß eine Struktur erhalten werden kann, bei der die feinen Teilchen 9 in die Halbleiterschicht 16 eingeschlossen sind oder mindestens ein Teil davon aus der Halbleiterschicht hervorsteht, wie in Fig. 21 dargestellt.
Die oben beschriebenen Vorrichtungen haben das Merkmal, daß die Herstellungsschritte vereinfacht werden können, weil die Halbleiterschicht 16 in dem gleichen Schritt gebildet wird, in dem das Aufbringen der feinen Teilchen 9 erfolgt.
Es ist auch möglich, die Halbleiterschicht 16 aus anderen Materialien als Kohlenstoff herzustellen, nämlich aus Halbleitermaterialien, die durch Beschichten oder Bedrucken und Backen erhalten werden, beispielsweise mit einer Si, Ge, Se o.ä. enthaltenden Lösung. Weiterhin kann eine Halbleiterschicht mit den gewünschten Eigenschaften durch Auswahl der Präparations- und Beschichtungsbedingungen der Lösung dieser Materialien und der Bedingungen beim Backen erhalten werden.
Bei der Verwendung dieser Halbleiterschichten wird des weiteren das Merkmal beibehalten, daß die feinen Teilchen in demselben Schritt aufgebracht werden können.
Die Elektronen emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine Elektronen emittierende Vorrichtung sein, die den in Fig. 22 gezeigten Aufbau hat.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der Elektronen emittierenden Vorrichtung beschrieben, das in Fig. 23, 1) bis 4) dargestellt ist. Es sind aufeinanderfolgende Querschnitte einer Vorrichtung dargestellt, um unten ein Beispiel des Herstellungsverfahrens zu beschreiben.
1) Die Oberfläche eines Substrates 4 wird entfettet und gereinigt.
2) Auf der mit 1) erhaltenen Oberfläche wird eine Halbleiterschicht 16 gebildet, die durch Vakuumabscheidung, Beschichten oder Bedrucken gewonnen wird.
Als die genannte Halbleiterschicht sind eine amorphe Silicium-Halbleiterschicht oder eine kristallisierte Silicium- Halbleiterschicht, die durch Vakuumabscheidung erhalten werden können, eine Verbindungs-Halbleiterschicht und eine durch Beschichten oder Bedrucken und Backen herstellbare Halbleiterschicht verwendbar.
Es kann beispielsweise eine Halbleiterschicht aus hydrogeniertem amorphem Silicium (A-Si:H) durch Plasma-CVD erhalten werden. Diese Halbleiterschicht hat eine Schichtdicke im Bereich von etwa 5 nm (50 Å) bis 10 um.
3) Elektroden 1 und 2 werden auf dieselbe Weise wie im Schritt (2) in Fig. 19 erzeugt.
4) Feine Teilchen 9 werden auf dieselbe Weise wie im Schritt (3) in Fig. 19 aufgebracht. Es ist von Vorteil, den Kohlenstoffgehalt in der Beschichtungslösung zu verringern oder auf Null zu senken, um die Dicke der auf dem Elektroden-Abstandsbereich L gebildeten Kohlenstoff-Halbleiterschicht klein zu machen. Dies liegt daran, daß der Einfluß der Halbleiterschicht 16 besser zur Geltung gebracht werden kann, wenn man erlaubt, daß ein elektrischer Strom If, der zum Elektroden-Abstandsbereich L fließt, so stark wie möglich zur Halbleiterschicht 16 und den feinen Teilchen 9 fließt.
Bei der Vorrichtung mit einem solchen Aufbau ist es auch möglich, für die Vakuumabscheidung geeignete feine Teilchen zu verwenden. Mit einem zur Vakuumabscheidung geeigneten Material können die feinen Teilchen durch Steuerung der Bedingungen der Vakuumabscheidung, etwa der Substrattemperatur, oder durch ein Mittel ähnlich der Vakuumabscheidung, etwa eine maskierte Vakuumabscheidung, gebildet werden.
Bei der entsprechend den obigen Schritten 1) bis 4) erhaltenen Elektronen emittierenden Vorrichtung werden die Halbleiterschicht und die feinen Teilchen jeweils in einem separaten Schritt gebildet, was zu größeren Freiheitsgraden bei den Bedingungen zur Bildung der Halbleiterschicht führt. Demgemäß wird es besser möglich, die Eigenschaften der Halbleiterschicht 16 einzustellen. Beispielsweise macht es eine Änderung der Menge der Störstellendotierung und eine Auswahl geeigneter Formierungsbedingungen bei der Bildung eines Halbleiters möglich, den elektrischen Widerstand der Halbleiterschicht 16 leicht einzustellen. Damit wird es möglich, die Höhe des zur Vorrichtung fließenden elektrischen Stromes If einzustellen, was dazu führt, daß eine Einstellung der Ansteuerspannung der Vorrichtung möglich wird.
Bei der Elektronen emittierenden Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann das Substrat selbst auch ein Halbleitersubstrat darstellen, welches die Halbleiterschlcht 16 ersetzt. Fig. 24 stellt einen Querschnitt einer Vorrichtung nach dieser Ausführungsform dar. Als Halbleitersubstrat 17 können Substratmaterialien mit gewünschten Eigenschaften, beispielsweise Si-Wafer, verwendet werden. Als Verfahren zur Herstellung des Halbleitersubstrates mit den gewünschten Eigenschaften sind die Ionenimplantation in ein Halbleitersubstrat oder ein Isolatorsubstrat und ähnliche Verfahren anwendbar.
Dieses Verfahren ermöglicht die Einstellung des spezifischen Widerstandes nur auf ausgewählten Gebieten derselben Ebene. Aus diesem Grunde kann in Fällen, in denen die Elektronen emittierenden Vorrichtungen mit hoher Dichte integriert sind, der Leckstrom zwischen benachbarten Vorrichtungen kleingemacht und das Übersprechen vermindert werden. Wegen der Anordnung auf derselben Ebene hat dieses Verfahren weiter die Eigenschaft, daß keine Probleme wie Unterbrechungen infolge schlechter Stufenbedeckung auf den abgestuften Enden der Elektroden auftreten können.
Fig. 25 ist eine Querschnittsdarstellung, die noch eine weitere Elektronen emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erläutert. Die entsprechenden Materialien sind auf dieselbe Weise aufgebaut, wie oben beschrieben, aber in den Präparationsschritten wird die Halbleiterschicht 16 gebildet, nachdem die Elektroden 1 und 2 und die feinen Teilchen 9 gebildet worden sind. Damit wird erreicht, daß die feinen Teilchen 9 in der Halbleiterschicht 16 eingeschlossen und darin fixiert sind. Die Oberfläche der Halbleiterschicht wird danach durch Ätzen abgetragen, um eine Struktur zu ergeben, bei der die feinen Teilchen 9 in einem Zustand fixiert sind, in dem sie aus der Halbleiterschicht hervorstehen.
Fig. 26 (1) bis (5) zeigen aufeinanderfolgend Querschnitte einer Vorrichtung zur Erläuterung der Präparationsschritte für die in Fig. 25 dargestellte Elektronen emittierende Vorrichtung. Nachfolgend wird ein Beispiel für das Präparationsverfahren beschrieben.
(1) Die Oberfläche des Substrates 4 wird entfettet und gewaschen.
(2) Elektroden 1 und 2 werden auf dieselbe Weise wie in Fig. 19(2) angebracht.
(3) Feine Teilchen 9 werden auf dieselbe Weise wie in Fig. 19(3) aufgebracht (vorzugsweise unter Verwendung einer Dispersion, die kein organisches Bindemittel enthält).
(4) Ein Halbleiter 16 wird in der Umgebung des Elektroden- Abstandsbereiches L gebildet. Hier wird allgemein die Halbleiterschicht auch auf die Oberfläche der feinen Teilchen 9 abgeschieden, und zwar so abgeschieden, daß die Teilchendurchmesser der feinen Teilchen 9 Ausbeulungen erzeugen können.
(5) Ein Ätzen wird hauptsächlich auf die Oberflächen der Ausbeulungen der Halbleiterschicht 16, die in (4) erhalten wurden, angewandt. Beispielsweise kann ein Ionenabtrag in einem Zustand ausgeführt werdend in dem die Proben geneigt angeordnet sind, so daß die Oberflächen der Ausbeulungen der Halbleiterschicht 16 geätzt werden. Im Ergebnis dessen ergibt sich eine Struktur, bei der ein Teil jedes feinen Teilchens 9 in den geätzten Abschnitten außerhalb der Halbleiterschicht 16 freiliegt und dennoch in der Halbleiterschicht 16 fixiert ist.
Wenn alternativ der Ätzschritt nicht angewandt wird, ergibt sich die Struktur, daß die feinen Teilchen 9 in der Halbleiterschicht 16 eingeschlossen sind.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Halbleiter und die feinen Teilchen im Elektroden-Abstandsbereich, der auf einem ebenen Substrat ausgebildet ist, angeordnet, aber die vorliegende Erfindung ist in keiner Weise auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Beispielsweise kann die Elektronen emittierende Vorrichtung die in Fig. 1 gezeigte Form annehmen, d.h. vom Vertikaltyp sein (siehe Fig. 27). Dies ist eine Vorrichtung, bei der die Elektroden 1 und 2 jeweils auf der anderen Seite eines Stufenabschnitts der Isolierschicht 5 auf dem Substrat 4 gebildet sind.
Die vorliegende Erfindung stellt insbesondere weiter eine Vorrichtung bereit, bei der die in der Elektronen emittierenden Vorrichtung wie in Fig. 8 dargestellt angeordneten Elektroden so angeordnet werden, wie beim in Fig. 1 gezeigten Vertikaltyp, d.h. eine Elektronen emittierende Vorrichtung mit einem Substrat, auf dem eine Isolierschicht vorgesehen ist, in der feine Teilchen dispergiert sind, ein an einem Endabschnitt der Isolierschicht auf der oberen Oberfläche des Substrates gebildeter Stufenabschnitt, und eine auf der oberen Oberfläche der Isolierschicht und eine auf der oberen Oberfläche des Substrates angeordnete Elektrode, wobei ein Ende jeder Elektrode auf einem oberen Endabschnitt oder einem unteren Endabschnitt des Stufenabschnitts in einer solchen Weise positioniert sind, daß mindestens ein Teil der Seitenwandfläche des Endabschnitts der Isolierschicht, in der die feinen Teilchen dispergiert sind, im Stufenabschnitt nicht verdeckt sein kann, und daß zwischen den Elektrodenenden ein Elektroden-Zwischenraum gebildet ist, wobei Elektronen emittiert werden, indem eine Spannung zwischen diese Elektroden angelegt wird [Fig. 28 (C)]
In Fig. 28 (a) , (b) und (c) bezeichnen die Bezugsziffern 1 und 2 Elektroden zum Herstellen einer elektrischen Verbindung, 4 ein Substrat, 9 feine Teilchen, 5 eine die feinen Teilchen im dispergierten Zustand enthaltende Isolierschicht und 6 einen Elektroden-Zwischenraum.
In Fig. 28 (C) ist die Elektronen emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung von der Art, daß die in der Isolierschicht 5, die einen Stufenabschnitt bildet, dispergierten feinen Teilchen im Elektroden-Abstandsgebiet 6 angeordnet sind, der zwischen den Elektroden 1 und 2, deren Endabschnitte einander gegenüberliegen (aber ohne zu überlappen) im Stufenabschnitt gebildet ist, wobei Elektronen von den feinen Teilchen 9 durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 1 und 2 emittiert werden.
Ein Beispiel der Herstellungsverfahren wird unter Bezugnahme auf Fig. 28 (a), (b) und (c) beschrieben.
Zuerst wird die die feinen Teilchen 9 enthaltende Isolierschicht 5 auf dem Substrat 4 durch flüssige Beschichtung oder einen ähnlichen Prozeß aufgebaut [siehe Fig. 28 (a)].
Als nächstes wird die Isolierschicht 5 durch photolithographisches Ätzen geätzt, so daß ein Stufenabschnitt sich im wesentlichen im Mittelabschnitt des Substrates 4 ergibt [siehe Fig. 28 (b)].
Dann werden die Elektroden 1 und 2 auf der Isolierschicht 5 und dem Substrat 4 auf eine solche Weise angeordnet, daß mindestens ein Teil der Seitenwand des Stufenabschnitts nicht verdeckt ist, womit der Elektroden-Abstandsbereich 6 gebildet wird [siehe Fig. 28 (c)].
Die Elektronen emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann nach dem oben beschriebenen Verfahren erhalten werden. Die vorliegende Erfindung kann in einem Vakuumgefäß angeordnet werden, an die Elektroden 1 und 2 kann eine Spannung angelegt werden, und eine (nicht gezeigte) Ableitungs- Elektrodenplatte kann so angeordnet sein, daß sie der oberen Oberfläche der Vorrichtung gegenüberliegt, und an diese kann eine hohe Spannung angelegt werden, woraufhin Elektronen aus dem Gebiet des Elektroden-Abstandsbereiches 6 emittiert wird.
In dieser Figur sind die Materialien für die Elektroden und deren Dicke, die Materialien für die an der Elektronenemission beteiligten feinen Teilchen und die Materialien für die Isolierschicht und deren Dicke derart, wie in Beziehung zu Fig. 1 beschrieben. Es ist zu bekräftigen, daß eine Elektronen emittierende Vorrichtung mit Elektroden 1 und 2, die teilweise überlappend gebildet sind, wie in Fig. 29 (c) dargestellt, obgleich sie eine geringfügige Differenz im Elektrodenabstand hat, ebenfalls gute Ergebnisse liefern kann.
Bei der in Fig. 29(c) dargestellten Vorrichtung wird zuerst eine Elektrode 1 auf ein Substrat 4 abgeschieden und gebildet [siehe Fig. 29 (a)] . Danach werden eine Isolierschicht 5 mit feinen Teilchen 9 und ein Elektrodenmaterial 2c abgeschieden [siehe Fig. 29 (b)]], und eine Elektrode 2 und ein Elektroden-Abstandsbereich 6 werden durch photolithographisches Ätzen gebildet, womit die Elektronen emittierende Vorrichtung ausgebildet wird [siehe Fig. 29 (c)].
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Elektronen emittierende Vorrichtung bereit, wie sie in Fig. 30 dargestellt ist, welches eine weitere Ausführungsform der in Beziehung zu Fig. 28 beschriebenen Elektronen emittierenden Vorrichtung und gleichzeitig eine bevorzugte Ausführungsform der in Fig. 1 dargestellten Elektronen emittierenden Vorrichtung ist.
Die in Fig. 30 dargestellte Elektronen emittierende Vorrichtung weist ein Substrat auf, auf dem Isolierschichten vorgesehen sind, die die Fläche, auf der feine Teilchen dispergiert sind, zwischen sich einschließen, einen zwischen einem Endabschnitt der Isolierschicht und der oberen Oberfläche des Substrates gebildeten Stufenabschnitt, und jeweils eine auf der oberen Oberfläche der Isolierschicht und auf der oberen Oberfläche des Substrates gebildete Elektrode, wobei ein Ende jeder Elektrode an einem oberen Ende oder einem unteren Ende des Stufenabschnitts auf eine solche Weise angeordnet ist, daß die Elektrode nicht in Kontakt mit der Fläche kommen kann, auf der die feinen Teilchen dispergiert sind, und einen Elektroden-Abstandsbereich, der zwischen den Elektrodenenden gebildet ist, von dem aus Elektronen durch Anlegen einer Spannung zwischen diesen Elektroden emittiert werden.
In Fig. 30 bezeichnen die Bezugsziffern 1 und 2 Elektroden zum Herstellen einer elektrischen Verbindung , 4 ein Substrat, 5a eine Isolierschicht auf dem Substrat 4, 9 feine Teilchen auf der Isolierschicht 5a, 5b eine die feinen Teilchen bedeckende Isolierschicht und 6 einen Elektroden-Abstandsbereich zwischen den Elektroden 1 und 2.
In Fig. 30(d) ist die Elektronen emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung, bei der die zwischen den Isolierschichten 5a und 5b eingeschlossenen feinen Teilchen 9 im Elektroden-Abstandsbereich, der zwischen den Elektroden 1 und 2, deren Endabschnitte (ohne einander zu überlappen, einander gegenüberliegen, im Stufenabschnitt abgeordnet sind, und Elektronen werden von den feinen Teilchen 9 emittiert, wenn eine Spannung zwischen die Elektroden 1 und 2 angelegt wird.
Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren hierfür beschrieben.
Zuerst wird die Isolierschicht 5a auf dem Substrat durch Flüssigbeschichtung, Vakuumabscheidung oder ein ähnliches Verfahren aufgebaut oder abgeschieden, und dann werden die feinen Teilchen 9 auf der Isolierschicht 5a dispergiert (siehe Fig. 30 (a)].
Als nächstes wird die Isolierschicht 5b auf der Isolierschicht 5a und den feinen Teilchen 9 durch Klüssigbeschichtung oder Vakuumabscheidung oder ein ähnliches Verfahren aufgebaut oder abgeschieden, so daß sie die feinen Teilchen 9 bedecken kann [siehe Fig. 30 (b)].
Die Isolierschichten 5a und 5b, die die feinen Teilchen zwischen sich einschließen, werden weiter durch photolithographisches Ätzen geformt, so daß der Stufenabschnitt im wesentlichen in der Mitte des Substrates 4 vorgegeben werden kann [siehe Fig. 30 (c)].
Danach werden die Elektroden 1 und 2 auf der Isolierschicht 5b und dem Substrat 4 auf eine solche Weise angeordnet, daß mindestens ein Teil der Seitenwand des Stufenabschnitts und der feinen Teilchen 9 nicht verdeckt sein kann und auch kein elektrischer Kurzschluß bewirkt werden kann, womit der Elektroden-Abstandsbereich 6 gebildet wird [siehe Fig. 30 (c)].
Die Elektronen emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann entsprechend dem dargestellten Verfahren hergestellt werden. Die vorliegende Vorrichtung kann in einem Vakuumbehälter angeordnet sein, eine Spannung kann an die Elektroden 1 und 2 angelegt werden, und eine (nicht gezeigte) Ableit-Elektrodenplatte kann so angeordnet werden, daß sie der oberen Oberfläche der Vorrichtung gegenüberliegt, an die eine hohe Spannung angelegt wird, woraufhin Elektronen aus dem Elektroden-Abstandsbereiches 6 emittiert werden.
Die vorliegende Erfindung kann in bezug auf die Elektronen emittierende Zone 3 auch durch Bildung einer Elektronen emittierenden Schicht 3a und von Elektronen emittierenden Körpern 3b verkörpert werden.
Dies ist - wie weiter in Fig. 31 dargestellt - eine Elektronen emittierende Vorrichtung, In deren Aufbau beispielsweise die Ausführungen nach Fig. 3 und Fig. 5, die weiter oben beschrieben wurden, kombiniert sind.
Gemäß Fig. 31 ist die Elektronen emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung, welche ein Laminat aufweist, das eine zwischen einem Paar von Elektroden miteinander überlappenden Endabschnitten gehaltene Isolierschicht 5 umfaßt, wobei die Elektronen emittierende Schicht 3a in die Isolierschicht 5 auf eine solche Weise eingeschlossen ist, daß die Seitenwandfläche der Elektronen emittierenden Schicht 3a längs der Seitenwandfläche der Isolierschicht 5 angeordnet sein kann, die in demjenigen Bereich gebildet ist, in dem die Elektroden 1 und 2 einander gegenüberliegen, und die Elektronen emittierenden Körper 3b sind zusätzlich auf der Oberfläche der Seitenwand angeordnet, von wo Elektronen nach Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 1 und 2 emittiert werden.
Die Materialien und Verfahren zur Bildung der Vorrichtung werden nachfolgend beschrieben.
Neben der Verwirklichung des in Fig. 31 dargestellten Aufbaus zur Bildung der Elektronen emittierenden Zone 3 ist es - wie in Fig. 33 gezeigt - auch wünschenswert, einen Stufenabschnitt 18 mit einer feine Teilchen (Elektronen emittierende Materialien) 9 enthaltenden Isolierschicht 5 zu bilden und gleichzeitig Elektronen emittierende Körper 3b auf der Seitenfläche des Stufenabschnitts vorzusehen.
Alternativ können - wie in Fig. 35 gezeigt - feine Teilchen (Elektronen emittierende Materialien) 9 auf einer Isolierschicht 5a angeordnet werden, wobei die feinen Teilchen weiter mit einer Isolierschicht 5b bedeckt werden, um einen Stufenabschnitt zu bilden, und Elektronen emittierende Körper 3b können weiterhin auf der Seitenfläche des Stufenabschnitts angeordnet werden, um eine Elektronen emittierende Zone zu bilden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung auch eine Elektronen emittierende Zone umfassen, die durch drei oder mehr Bildungsverfahren erhalten wird, wie in Fig. 36 gezeigt.
Im übrigen wurde in dem Falle, daß die feinen Teilchen als die auf der Seitenfläche angeordneten Elektronen emittierenden Körper 3b oder die in der Isolierschicht enthaltenen Elektronen emittierenden Materialien 9 verwendet werden, wie oben beschrieben, bestätigt, daß die Verwendung zweier oder mehrerer verschiedener Materialarten als feine Teilchen eine bessere Steuerung der Eigenschaften der Elektronen emittierenden Vorrichtung ermöglicht.
Als Materialien für die feinen Teilchen sind dieselben Materialien verwendbar, wie die, die in Beziehung zu Fig. 8 beschrieben wurden. Die geeignete Auswahl zweier oder mehrerer verschiedener Materialarten unter diesen Materialien nach konkretem Anwendungsfall und deren Verwendung als feine Teilchen macht es möglich, nicht nur eine Elektronenemission zu erreichen, sondern auch die Eigenschaften der gewünschten Elektronen emittierenden Vorrichtungen zu verbessern oder zu steuern.
Beispielsweise ist es, da bei der Elektronen emittierenden Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ein elektrischer Strom in Richtung der Elektroden unverzichtbar für die Elektronenemission ist, möglich, die Ansteuerspannung der Vorrichtung durch Einschluß feiner Teilchen mit relativ niedrigem Widerstand (beispielsweise von kleinen Pd- oder Pt-Teilchen in SnO&sub2;-Teilchen) zu erniedrigen.
Es kann auch erwartet werden, daß die Elektronenemission durch Hinzugabe von feinen Pd-Teilchen, Materialien mit niedriger Austrittsarbeit - beispielsweise LaB&sub6; - oder Materialien mit einem hohen Koeffizienten der sekundären Elektronenemission - beispielsweise einer AgMg-Legierung - ansteigt.
Die vorliegende Erfindung kann auch nicht nur für die Ausführungsform wirksam sein, bei der feine Teilchen aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Materialien verwendet werden, sondern auch in Fällen, in denen die feinen Teilchen, obgleich sie aus einer Materialart bestehen, aus zwei oder mehreren Sorten bestehen, die Unterschiede nur in den physikalischen Parametern - etwa die mittleren Teilchendurchmesser - und der Gestalt aufweisen.
Der Teilchendurchmesser kann beispielsweise so gewählt werden, daß er zwei Arten umfaßt, von denen eine so klein ist (beispielsweise einen Teilchendurchmesser von etwa 10 nm oder 100 Å aufweist), daß der Einfluß der elektrischen Feldemission deutlich zum Tragen kommt, und von denen die andere relativ groß ist (beispielsweise einen Teilchendurchmesser von etwa 400 nm bzw. 4000 Å aufweist) , daß sie nur zur elektrischen Leitfähigkeit beiträgt, so daß die erstere einen Anstieg im Betrag der Elektronenemission realisiert und die letztere eine Ansteuerung mit niedriger Spannung.
Es ist natürlich auch möglich, die Materialien derart einzusetzen, daß eine Kombination der oben beschriebenen zwei oder mehr Arten unterschiedlichem Material und zwei oder mehr Sorten bzw. Arten, die einen Unterschied in physikalischen Parametern, etwa dem Teilchendurchmesser, haben, erfolgt.
Um die feinen Teilchen in Dispersion zu bilden, ist ein Verfahren am einfachsten und bequemsten, bei dem eine Dispersion von feinen Teilchen, die die gewünschten Materialien aufweist, auf ein Substrat oder ähnliches durch Schleuderbeschichtung, Eintauchen oder ein ähnliches Verfahren aufgebracht wird, worauf ein Heizen zur Entfernung eines Lösungsmittels, eines Bindemittels usw. folgt. In diesem Fall ermöglicht die Einstellung des Teilchendurchmessers der feinen Teilchen, deren Gehaltes, der Abscheidungsbedingungen etc. eine Steuerung des Zustandes der Verteilung der Dispersion.
Es besteht keine Theorie hinsichtlich des Mechanismus, durch den die Elektronen durch die Elektronen emittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung emittiert werden, diese wird aber annähernd wie folgt gesehen:
Es wird angenommen, daß infolge der an die schmale Isolierschichtlücke angelegten Spannung eine elektrische Feldemission abläuft, oder eine Sekundärelektronenemission, die auftritt, wenn die aus Elektronen emittierenden Materialien durch den Film mit inselähnlicher Struktur oder die Elektroden gebeugt oder gestreut werden, oder daß er durch Stoßprozesse oder thermionische Emission, springende Elektronen, den Auger-Effekt etc. verursacht ist.

BEISPIELE

Nachfolgend werden spezielle Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Beispiel 1

Fig. 3 (a), (b) ist ein Flußdiagramm, welches ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung der Elektronen emittierenden Vorrichtung der vorliegenden Erfindung darstellt.
In Fig. 3 (a), (b) bezeichnet die Bezugsziffer 4 ein Glassubstrat und 1 eine Nickelelektrode von 50 nm (500 Å) Dicke.
SiO&sub2; wurde aus der Gasphase abgeschieden, so daß es eine isolierende Schicht 5a von 100 nm (1000 Å) Dicke bildete, Au wurde aus der Gasphase als eine Elektronen emittierende Schicht 3a mit einer Dicke von 50 nm (500 Å) abgeschieden, und eine Isolierschicht 5b wurde auf dieselbe Weise wie 5a gebildet, womit diese drei Schichten laminiert wurden.
Sie wurden, wie in Fig. 3 (a) dargestellt, längs der Form der Elektrode 1 der Elektrode 1 teilweise auflaminiert, worauf eine Musterbildung folgte. als nächstes wurde Ni als eine Elektrode 2 mit einer Schichtdicke von 500 nm (5000 Å) auflaminiert.
Wie in Fig. 3 (b) dargestellt, wurde die Elektrode 2 einer Musterbildung mittels eines herkömmlichen photolithographischen Verfahrens längs des Musters der Elektrode 1, der Isolierschicht 5a, der Elektroden emittierenden Schicht 3a und der Isolierschicht 5b unterzogen. Wie in der Figur dargestellt, wurden die Elektroden 2a und 2b elektrisch getrennt, und hierbei wurde die Fläche, mit der die Elektroden 2b und 1 einander überlappen, so klein wie möglich gemacht.
Durch Anlegen einer Spannung von 20 V zwischen die Elektroden 2a und 2b wurde eine Emission eines Elektronenstrahlbündels 7 von 0,3 uA pro 1 mm Länge der Elektrode 2a in Richtung senkrecht zur Papierebene erhalten.
Was die Elektronen emittierende Schicht 3a angeht, so kann diese üblicherweise eine Inselstruktur ähnlich der Struktur mit kleinen Inseln zwischen schmalen Rissen bei der durch Formierung hergestellten herkömmlichen Schicht aufweisen, wenn ihre Schichtdicke 10 nm (100 Å) oder weniger ist. Es wird jedoch vorausgesetzt, daß auch dann, wenn die Schichtdicke ansteigt und sich eine zusammenhängende Schicht bildet, die Elektroden 1 und 2b elektrisch isoliert sind, und die Schicht somit ähnlich wie die Inselstruktur wirkt.

Beispiel 2

In Fig. 4 bezeichnen die Bezugsziffern 1 und 5 dieselben Teile wie in Fig. 3. In dieser Figur bezeichnet die Bezugsziffer 8 eine Zwischenschicht, welche zwischen der Isolierschicht 5b und der Elektrode 2 liegt, womit eine Mehrschichtelektrode gebildet wird. Beim vorliegenden Beispiel wurde vor der Bildung der Isolierschicht 5b ein Schritt der Gasphasenabscheidung von LaB&sub6; mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å), gefolgt von einer Musterbildung, den Präparationsschritten nach Beispiel 1 hinzugefügt. Die Elektrode 2 wurde, wie in Beispiel 1, auch unter Verwendung von Ni mit einer Dicke von 500 nm (5000 Å) gebildet.
Bei Anlegen einer Spannung von 20 V zwischen die Elektroden 2a und 2b der so erhaltenen Vorrichtung wurde eine Emission eines Elektronenstrahlbündels 7 von 0,5 uA pro 1 mm Länge bzw. Breite der Elektrode 2a in Richtung senkrecht zur Papierebene erhalten.

Beispiel 3

Fig. 6 (a), (b) ist ein Flußdiagramm, welches ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung der Elektronen emittierenden Vorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In Fig. 6 (a), (b) bezeichnet die Bezugsziffer 4 ein Glassubstrat.
Eine Isolierschicht 5a wurde aus SiO&sub2; mit 150 nm (1500 Å) Dicke, eine Elektronen emittierende Schicht 3a aus Pd mit 25 nm (250 Å) Dicke und eine Isolierschicht 5b aus SiO&sub2; mit 50 nm (500 Å) Dicke gebildet, wobei jede Schicht durch Gasphasenabscheidung erhalten und anschließend wie in Fig. 6 (a) dargestellt, derart geätzt wurde, daß sie eine abgestufte Gestalt hat, um eine Musterbildung auszuführen. Als nächstes werden Elektroden 1 und 2 abgeschieden. die Elektroden werden, wie in Fig. 6 (b) dargestellt, auf die Isolierschicht 5a und 5b und den durch die Elektronen emittierende Schicht 3a unter Verwendung von Ni mit einer Dicke von 100 nm (100 Å) gebildeten Stufenabschnitt abgeschieden. Hierbei wird die Elektrode 1 allgemein nicht in Kontakt mit der Elektronen emittierenden Schicht 3 kommen, wenn die Dicke der Elektrode kleiner als die Höhe des Stufenabschnitts der Isolierschicht gemacht, d.h. eine schwache Stufenbedeckung erzeugt wird, und weiterhin kann der Elektroden-Abstandsbereich 6 schmaler gemacht werden, wenn die Isolierschicht 5b dünner gemacht wird.
Die gemäß dem obigen Verfahren hergestellte Elektronen emittierende Vorrichtung wurde im Vakuum angeordnet, eine Spannung von 1 kV wurde unter Verwendung einer (nicht gezeigten) Ableit-Elektrode, die in einem oberen Gebiet in der Zeichnung vorgesehen wäre, angelegt, und eine Gleichspannung von etwa 12 V wurde zwischen die Elektroden 1 und 2 angelegt, was zur Emission von Elektronen aus der Elektronen emittierenden Zone 3 führt.

Beispiel 4

(Siehe Fig. 2.) Auf ein Glassubstrat 4 wurde unter Verwendung von SiO&sub2; eine Isolierschicht 5 mit einer Dicke von 200 nm (2000 Å) abgeschieden. Diese wurde zur Ausführung einer Musterbildung derart geätzt, daß sie eine abgestufte Form hat. Als nächstes wurden Elektroden 1 und 2 aus Ni mit 100 nm (1000 Å) Dicke durch Gasphasenabscheidung unter Nutzung einer Maske in gewünschter Form abgeschieden. Hierbei wurde die Stufenbedeckung durch aus der Gasphase abgeschiedenes Ni im Stufenabschnitt allgemein schwach gemacht, und der Elektroden-Abstandsbereich 6 wurde mit einem Abstand von etwa 100 nm (1000 Å) gebildet. Kleine Teilchen wurden hier als Elektronen emittierende Körper 3b fixiert. Die kleinen Teilchen werden beispielsweise auf die folgende Weise erhalten: Es wird eine Lösung aus feinen Metallteilchen, etwa aus Pd, mit einem Teilchendurchmesser von einigen 10 nm (einigen 100 Å), die als Material der Elektronen emittierenden Körper 3b dienen, präpariert. Diese Lösung wird durch Schleuderbeschichtung aufgetragen und bei einer Temperatur von etwa 300ºC gebacken, um die kleinen Teilchen im Elektroden-Abstandsbereich zu fixieren. Die sich ergebende Vorrichtung war fähig, Elektronen zu emittieren, wenn sie in Beispiel 3 angesteuert wurde.

Beispiel 5

Im in Fig. 8 gezeigten Zustand wurde eine Isolierschicht 11, die aus einer Deckschicht aus einem niedrigschmelzenden Glas vom Bleioxid-Typ besteht, auf einem Soda-Kalk-Glas-Substrat 4 gebildet.
Weiter wurden Pt-Elektroden 1 und 2 darauf mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å), L = 0,5 um und W = 300 um gebildet, und feine Pd-Teilchen 9 mit einem Teilchendurchmesser von einigen 10 nm (einigen 100 Å) wurden des weiteren im dispergierten Zustand zwischen den Elektroden angeordnet.
Die feinen Pd-Teilchen 9 wurden durch Schleuderbeschichtung (bei 300 min&supmin;¹ die Beschichtung wurde fünfmal wiederholt) unter Verwendung einer Butylacetat-Lösung (Catapaste CCP- 4230, lieferbar von Okuno Seiyaku Kogyo), die eine organische Palladiumverbindung in einem Anteil von etwa 0,3 % Pd- Metall enthielt, und eine Wärmebehandlung bi 250ºC aufgebracht. Sie wurden dann 20 Minuten bei 450ºC gebacken, um zu bewirken, daß die feinen Teilchen in die Isolierschicht 11 eingeschlossen sind.
Hierbei war der Betrag des zum Elektroden-Abstandsbereich L fließenden Stromes etwa 5 uA/5V. Diese Probe wurde einer Ätzung unter Verwendung einer wäßrigen 5- bis 10-%igen (Vol.- %) HCl-Lösung unterzogen, was einen Wert des elektrischen Stromes von 250 uA/5V ergab.
Die mit dem beschriebenen Verfahren präparierte Probe wurde in einem Vakuum von 1,33 10&supmin;³ Pa (10&supmin;&sup5; Torr) oder mehr angeordet, und eine Spannung wurde zwischen die Elektroden 1 und 2 angelegt, wie oben beschrieben. Im Ergebnis dessen floß ein elektrischer Strom If auf der Oberfläche des Inneren der Isolierschicht 11 oder durch die feinen Teilchen 9 und es wurde eine stabile Elektronenemission erhalten, wenn eine Spannung derart angelegt wurde, daß eine (nicht gezeigte) Ableit-Elektrode als Anode dienen könnte. Die Elektronenemission wurde auch bei einer Probe festgestellt, auf die keine Säurebehandlung angewandt wurde.
Ergebnisse der Messung der beim vorliegenden Beispiel präparierten Elektronen emittierenden Vorrichtung sind in Tabelle 1 gezeigt. Der Schwankungsbereich des Emissionsstromes ist mit einem Wert angegeben, der durch Division des Änderungsbetrages ΔIe des Wertes des Emissionsstromes bei 1 x 10&supmin;³ Hz oder weniger durch den Emissionsstrom Ie und Multiplikation des Ergebnisses mit 100 erhalten wurde, d.h. als ΔIe/Ie x 100. Tabelle 1 Vf Vorrichtungs Ansteuerspannung Ie Emissionsstrom Wirkungsgrad (Emissionsstrom Ie/Vorrichtungsstrom If) Lebensdauer* Schwankungsbereich des Emissionsstromes vorliegendes Beispiel oder mehr * Lebensdauer: Die Zeitspanne in der der Emissionsstrom auf 50 % oder weniger absinkt
Die obigen Ergebnisse zeigen im Vergleich mit den Ergebnissen von Messungen einer Elektronen emittierenden Vorrichtung vom Oberflächenleitungstyp nach dem hrkömmlichen Verfahren, die ITO-Materialien aufweist, die die Formierung erfordern (Ansteuerspannung der Vorrichtung: 20 V, Emissionsstrom 1,2 uA, wirkungsgrad: 5 x 10&supmin;³, Lebensdauer: 35 Stunden, Schwankungsbreite des Emissionsstromes 20 bis 60 %) folgendes: Die Elektronen emittierende Vorrichtung nach dem vorliegenden Beispiel ist stabil und von langer Lebensdauer und zeigt gute Eigenschaften hinsichtlich der Wirksamkeit der Elektronenemission.

Beispiel 6

Beispiel 5 wurde genau wiederholt mit Ausnahme dessen, daß das Backen während 20 Minuten bei 450ºC durch ein vollständiges Backen während 2 Stunden bei 490ºC ersetzt war, um ein Experiment auszuführen.
Die durch dieses Experiment erhaltene Vorrichtung ist eine solche, bei der alle feinen Teilchen 9 in die Isolierschicht 11 eingedrungen sind (Fig. 9),
Es wurde an dieser Elektronen emittierenden Vorrichtung dieselbe Messung wie in Beispiel 5 ausgeführt, wobei dieselbe Elektronenemission wie in Beispiel 5 erhalten wurde, die Vorrichtung aber tendentiell eine längere Lebensdauer hat und eine weiter verringernde Schwankungsbreite des Emissionsstromes zeigt.
Spezieller ist die Elektronen emittierende Vorrichtung, bei der die feinen Teilchen in die Isolierschicht eingeschlossen sind, wie im vorliegenden Beispiel 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den im Beispiel 5 erreichbaren Effekte die Lebensdauer und die Schwankungsbreite des Emissionsstromes noch stärker verbessert sind.

Beispiel 7

Beispiel 5 wurde exakt wiederholt mit Ausnahme dessen, daß das Backen während 20 Minuten bei 450ºC ersetzt war durch ein Backen während 10 Minuten bei 420ºC.
Die durch dieses Experiment erhaltene Vorrichtung ist eine Vorrichtung, wie sie in Fig. 10 gezeigt ist. Die Elektronen emittierende Vorrichtung, bei der die feinen Teilchen nur leicht in die Isolierschicht eingedrungen sind, war eine Elektronen emittierende Vorrichtung mit weiter verbessertem Emissionsstrom und verbessertem Wirkungsgrad des Emissionsstromes (Ie/If), zusätzlich zu dem in Beispiel 4 erreichbaren Effekt.

Beispiel 8

Die Oberfläche der Isolierschicht 11 im Elektroden-Abstandsbereich L der im Beispiel 6 erhaltenen Elektronen emittierenden Vorrichtung wurde unter Verwendung einer wäßrigen 5- Vol.% Hf-Lösung geätzt, um zu erreichen, daß die feinen Teilchen 9 aus der Isolierschicht 11 freiliegen, so daß eine Vorrichtung erhalten wurde, die denselben Aufbau wie diejenige im obigen Beispiel 7 hatte.

Beispiel 9

Unter Verwendung eines Substrates 12, welches poröses Glas mit einer Porengröße von 8 bis 100 nm (80 bis 1000 Å) aufwies und in dem feine Goldteilchen derart abgeschieden waren, daß sich ein Vorrichtungs-Widerstand von 1 M Ω (Megaohm) bis 10 M Ω (Megaohm) ergab, wurde eine Elektronen emittierende Vorrichtung des vorliegenden Beispiels erhalten (Fig. 9).
Eine Messung an dieser Vorrichtung wurde auf dieselbe Weise wie im Beispiel 5 ausgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 Vf Vorrichtungs Ansteuerspannung Ie Emissionsstrom Wirkungsgrad (Emissionsstrom Ie/Vorrichtungsstrom If) Lebensdauer* vorliegendes Beispiel oder mehr * Lebensdauer: Die Zeitspanne in der der Emissionsstrom auf 50 % oder weniger absinkt
Aus den obigen Ergebnissen ergab sich, daß die Elektronen emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Elektronen emittierende Vorrichtung wird, die stabil ist (d.h. eine kleine Schwankungsbreite des Emissionsstromes aufweist) eine lange Lebensdauer und einen hohen Wirkungsgrad der Elektronenemission im Vergleich zu einer herkömmlichen Vorrichtung hat, die durch Formierung von Gold erhalten wird (Vorrichtungs-Ansteuerspannung: 16, Emissionsstrom: 0,8 uA, Wirkungsgrad: 1,2 x 10&supmin;&sup5;, Lebensdauer: 35 Stunden, Schwankungsbereich: 20 bis 60 %). Nach dem Experiment zur Elektronenemission wurde der Grad der Verschlechterung bzw. Degeneration der Vorrichtung unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops untersucht, aber es wurde nur eine geringe Änderung des Durchmessers oder der Verteilung der feinen Teilchen aus Gold, die zwischen den Elektroden vorlagen, festgestellt. Die durch Formierung von Gold erhaltene Vorrichtung zeigte jedoch eine extreme Verschlechterung im Teil mit hohem Widerstand, der in den Ausführungen zum Stand der Technik diskutiert wurde.
Die Vorrichtung gemäß dem vorliegenden Beispiel 9 konnte leicht integriert werden, wobei geringe Unregelmäßigkeiten zwischen den Vorrichtungen auftraten, wenn eine Anzahl von Vorrichtungen auf demselben Substrat gebildet wurde.

Beispiel 10

Gemäß Fig. 16 wurde eine Elektronen emittierende Vorrichtung hergestellt, die ein farbiges (rotgoldenes) Glassubstrat 14 mit kolloidalem Gold aufwies.
An dieser Elektronen emittierenden Vorrichtung wurde dieselbe Messung wie in Beispiel 5 ausgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3 Vf Vorrichtungs Ansteuerspannung Ie Emissionsstrom Wirkungsgrad (Emissionsstrom Ie/Vorrichtungsstrom If) Lebensdauer* vorliegendes Beispiel oder mehr * Lebensdauer: Die Zeitspanne in der der Emissionsstrom auf 50 % oder weniger absinkt
Wie auch aus Tabelle 3 zu ersehen ist, ist die Elektronen emittierende Vorrichtung des vorliegenden Beispiels stabil (d.h. hat eine kleine Schwankungsbreite des Emissionsstromes) und hat eine lange Lebensdauer und einen hohen Wirkungsgrad der Elektronenemission. Nach dem Experiment zur Elektronenemission wurde auch hier der Grad der Vorrichtungs-Degeneration mittels eines Rasterelektronenmikroskops untersucht, aber es wurde nur eine geringe Änderung im Durchmesser oder der Verteilung der feinen Teilchen aus Gold, die zwischen den Elektroden vorhanden sind, festgestellt. Im Gegensatz hierzu zeigt die herkömmliche Vorrichtung, die durch Formierung von ITO erhalten wurde, eine extreme Verschlechterung im Teil mit hohem Widerstand.
Ähnliche Ergebnisse wurden auch in dem Falle erhalten, daß, nachdem die feinen Teilchen im Glas abgeschieden wurden, die Substratobrfläche mit einer wäßrigen Flußsäurelösung behandelt wurde, so daß Metallkolloide in großer Anzahl aus der Oberfläche des Glassubstrates hervorstehen können, womit sich eine Elektronen emittierende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ergab.

Beispiel 11

Auf ein sauberes Quarzglassubstrat von etwa 1 mm Dicke wurde eine durch Mischen eines organischen Lösungsmittels (Catapaste CCP (Handelsname), liefer von Okuno Seiyaku Kogyo), das eine organische Palladiumverbindung enthält, mit einer SiO&sub2;-Flüssigbeschichtungs-Mischung (OCD (Handelsname) lieferbar von Tokyo Ohka Kogyo) derart präparierte Lösung, daß sie ein Molverhältnis von SiO&sub2; : Pd von etwa 5 : 1 hatte, mit einer Aufschleudervorrichtung schleuderbeschichtet. Danach wurde die sich ergebende Beschichtung für 1 Stunde bei etwa 400ºC gebacken, um eine SiO&sub2;-Isolierschicht 11 mit einer Schichtdicke von etwa 100 nm (1000 Å) die feine Pd-Teilchen 9 enthielt, zu erhalten. Nach diesem Schritt wurde die Oberfläche der Isolierschicht 11 unter Verwendung von wäßriger Flußsäure geätzt, um zu erreichen, daß die feinen Teilchen 9 aus der Isolierschicht 11 hervorstehen.
Als nächstes wurde auf der SiO&sub2;-Isolierschicht 11 mittels Photolithographie ein Photoresist mit einer Dicke von 0,8 um in einer Gestalt aufgebracht, die einen Elektroden-Abstandsbereich L vorgab. Weiter wurde auf die SiO&sub2;-Isolierschicht 11 und den Photoresist eine Ni-Dünnschicht mit einer Schichtdicke von 100 nm (1000 Å) mittels Masken-Elektronenstrahl-Vakuumabscheidung abgeschieden, die die Gestalt von Elektroden erhielt. Danach wurde der Photoresist abgeschält, um einen Lift-off-Schritt des Entfernens der nicht benötigten Ni-Dünnschicht auf dem Photoresist auszuführen. So können die Formen der Elektroden 1 und 2 und des Elektroden-Abstandsbereiches L, wie in Fig. 8 gezeigt, gebildet werden. In diesem Fall waren die in Fig. 8 gezeigten Abmessungen auf L = 0,5 um, W = 300 um und A = 2 mm eingestellt.
Die Elektronenemissionseigenschaften der Elektronen emittierenden Vorrichtung, die nach dem obigen Verfahren erhalten wurde, wurden gemessen. Es ergab sich eine Elektronenemission mit einem ungefähren Emissionsstrom von Ie = 1 uA und Emissions-Wirkungsgrad α = 5 x 10&supmin;³ bei einer Ansteuerspannung Vf = 30 V der Vorrichtung. Die Lebensdauer und die Schwankungsbreite des Emissionsstromes lagen auf im wesentlichen demselben Niveau wie in Beispiel 5.

Beispiel 12

Beispiel 11 wurde wiederholt, aber die organische Palladiumverbindung wurde durch feine SnO&sub2;-Teilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 100 Å ersetzt, um eine ähnliche Elektronen emittierende Vorrichtung zu erhalten, und es wurden ähnliche Experimente ausgeführt. Im Ergebnis dessen wurde eine Elektronenemission auf im wesentlichen demselben Niveau wie in Beispiel 11 erhalten.

Beispiel 13

Bei dem in Fig. 17 dargestellten Aufbau wurde eine Halbleiterschicht 16 von etwa 19 nm (100 Å) Dicke auf einem Sodaglassubstrat 4 unter Anwendung eines aus einer gebrannten organischen Substanz erhaltenen Kohlenstoffilms gebildet. Feine Palladiumteilchen mit etwa 10 nm (100 Å) Durchmesser sind in der Halbleiterschicht dispergiert.
Weiter wurden Elektroden 1 und 2 aus Pt mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å), einem Abstand von 0,8 um und einer Breite von 300 um gebildet.
Das Anlegen einer Spannung zwischen die nach obigem Verfahren hergestellten Elektroden 1 und 2 erzeugte einen elektrischen Stromfluß If durch die Halbleiterschicht 16 und die feinen Teilchen 19, und es wurde eine stabile Elektronenemission festgestellt, wenn eine Spannung angelegt wurde, die es einer Anleit-Elektrode erlaubte, als Anode zu wirken.
Es wurde ein Vergleich von Beispielen hinsichtlich ihrer Eigenschaften zwischen der Elektronen emittierenden Vorrichtung durchgeführt, die gemäß dem vorliegenden Beispiel präpariert wurde und einen Halbleiter enthielt, und einer Elektronen emittierenden Vorrichtung vom Oberflächenleitungstyp nach dem Stand der Technik, die ITO aufwies und die Formierung erforderte, wobei die in Tabelle 4 gezeigten Ergebnisse erhalten wurden. Der Schwankungsbereich des Emissionsstromes ist mit einem Wert angegeben, der durch Division des Änderungsbetrages ΔIe des Wertes des Emissionsstromes bei 1 x 10&supmin;³ Hz oder weniger durch den Emissionsstrom Ie und Multiplikation des Ergebnisses mit 100, d.h. gemäß ΔIe/Ie x 100 (%), erhalten wurde. Tabelle 4 Vf Vorrichtungs Ansteuerspannung Ie Emissionsstrom Wirkungsgrad (Emissionsstrom Ie/Vorrichtungsstrom If) Lebensdauer* Schwankungsbereich des Emissionsstromes vorliegendes Beispiel Vorrichtung mit Formierung von ITO: oder mehr * Lebensdauer: Die Zeitspanne in der der Emissionsstrom auf 50 % oder weniger absinkt
Wie aus Tabelle 4 klar wird, ist die Elektronen emittierende Vorrichtung vom Oberflächenleitungstyp gemäß dem vorliegenden Beispiel dadurch gekennzeichnet, daß sie stabil ist, eine große Lebensdauer hat, sowie eine niedrige Ansteuerspannung und einem hohen Emissionsstrom hat.

Beispiel 14

Bei dem in Fig. 22 gezeigten Aufbau wurde ein A-SiH-Film auf ein Glassubstrat 4 mittels Plasma-CVD so abgeschieden, daß er eine Dicke von 200 nm (2000 Å) hatte, womit eine Halbleiterschicht 16 erhalten wurde. Elektroden 1 und 2 wurden aus Pt so gebildet, daß sie eine Dicke von 100 nm (1000 Å), einen Abstand L von 0,8 um und eine Breite W von 300 um hatten.
Weiterhin wurde Pd in feinen Teilchen 9 mit einem Durchmesser von einigen 10 nm, (einigen 100 Å) in einem dispergierten Zustand zwischen den Elektroden angeordnet.
Die feinen pd-Teilchen 9 wurden durch Schleuderbeschichtung (bei 3000 min&supmin;¹ (die Beschichtung wurde fünfmal wiederholt) unter Verwendung einer Butylacetat-Lösung (Catapaste CCP- 4230, lieferbar von Okuno Seiyaku Kogyo), die eine organische Palladiumverbindung in einem Anteil von etwa 0,3 % Pd- Metall enthielt, aufgebracht und durch Erwärmung bei 250ºC behandelt. Die beim vorliegenden Beispiel präparierte Elektronen emittierende Vorrichtung, die einen Halbleiter hat, wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 13 bewertet. Im Ergebnis dessen war sie in der Lage, eine ähnliche Elektronenemission zu liefern.

Beispiel 15

Bei dem in Fig. 25 dargestellten Aufbau wurden Elektroden 1 und 2 aus Pt mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å), in einem Abstand L von 0,8 um und mit einer Breite W von 100 um auf einem Glassubstrat 4 gebildet.
Feine Teilchen wurden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 14 präpariert, und hydrogeniertes amorphes Silicium wurde als Halbleiterschicht 16 mittels Plasma-CVD derart gebildet, daß es eine Dicke von etwa 50 nm (500 Å) hatte.
Danach wurden die Ausbeulungen auf der Halbleiterschicht 16 durch Ionenbeschuß bzw. -abtragung geätzt.
Die nach dem obigen Verfahren präparierte Elektronen emittierende Vorrichtung wurde auf dieselbe Weise bewertet wie in Beispiel 12, wobei sich ergab, daß eine ähnliche Elektronenemission erhalten wird. Speziell beim vorliegenden Beispiel - anders als bei Beispiel 14 - hatte die Elektronen emittierende Vorrichtung, bei der die feinen Teilchen 9 in der Halbleiterschicht 16 fixiert waren, zusätzlich zu dem in Beispiel 14 erreichbaren Effekt eine Tendenz zur Stabilität der Elektronenemission.

Beispiel 16

Eine Elektronen emittierende Vorrichtung wurde gemäß den oben beschriebenen Präparationsschritten (a) bis (c) der Fig. 28 erhalten.
Spezieller wurde auf ein sauberes Harzglassubstrat mit etwa 1 mm Dicke eine durch Mischung eines organischen Lösungsmittels (Catapaste CCP (Handelsname), lieferbar von Okuno Seiyaku Kogyo), das eine organische Palladiumverbindung enthielt, mit einer SiO&sub2;-Flüssigbeschichtungsmischung (OCD, lieferbar von Tokyo Ohka Kogyo) derart präparierter Lösung, daß sie ein Molverhältnis von SiO&sub2; : Pd von etwas 5 : 1 hatte, mit einer Rotationsvorrichtung schleuderbeschichtet. Danach wurde die sich ergebende Beschichtung für 1 Stunde bei etwa 400ºC gebacken, um eine SiO&sub2;-Isolierschicht 5 mit einer Schichtdicke von etwa 150 nm (1500 Å) zu erhalten, die feine Pd-Teilchen 9 enthielt [siehe Fig. 28 (a)].
Danach wurde die Isolierschicht 5 durch photolithographisches Ätzen unter Verwendung einer wäßrigen Flußsäurelösung geätzt, um einen Stufenabschnitt von etwa 150 nm (1500 Å) Höhe in der Mitte der Substrate 4 zu bilden [siehe Fig. 28 (b)].
Danach wurden Ni-Elektroden 1 und 2 mit etwa 50 nm (500 Å) Schichtdicke durch Abscheidung unter Anwendung der Elektronenstrahl-Vakuumabscheidung auf eine Weise gebildet, daß der Stufenabschnitt nicht vollständig bedeckt war.
In diesem Fall ergibt sich die Struktur, daß die Elektroden 1 und 2 einander mit einem bestimmten Zwischenraum über die Seitenwand des Stufenabschnitts der Isolierschicht 5, die die feinen Teilchen 9 enthält, hinweg einander gegenüberliegen. Dieser Abstand wird als Elektroden-Abstandsbereich 6 bezeichnet [siehe Fig. 28 (c)].
Die Elektronenemissionseigenschaften der gemäß dem obigen Verfahren erhaltenen Elektronen emittierenden Vorrichtung wurden gemessen, wobei es sich bestätigte, daß eine Elektronenemission mit einem ungefähren Emissionsstrom Ie = 2,5 uA und einem Emissions-Wirkungsgrad α = 5 x 10&supmin;³ erhalten wurde.

Beispiel 17

Gemäß den oben beschriebenen Präparationsschritten (a) bis (c) der Fig. 29 wurde eine Elektronen emittierende Vorrichtung des Aufbaus präpariert, bei dem eine Isolierschicht zwischen Elektroden fixiert ist.
Spezieller wurde auf ein sauberes Quarzglassubstrat 4 mit etwa 1 mm Dicke eine Ni-Elektrode mit etwa 50 nm (500 Å) Schichtdicke durch Elektronenstrahl-Vakuumabscheidung abgeschieden, um eine Elektrode 1 durch photolithographisches Ätzen zu bilden [siehe Fig. 29 (a)].
Als nächstes wurde auf die Oberfläche der Elektrode 1 und des Substrates 4 eine feine Pd-Teilchen 9 enthaltende SiO&sub2;- Isolierschicht 5 auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 16 abgeschieden, so daß sie eine Schichtdicke von etwa 100 nm (1000 Å) hatte. Eine Ni-Dünnschicht von etwa 100 nm (1000 Å) Schichtdicke wurde weiter auf die SiO&sub2;-Isolierschicht abgeschieden und ergab ein Elektrodenmaterial 2c [siehe Fig. 29 (b)].
Danach wurde auf der Ni-Dünnschicht in der Mitte des Substrates ein Photoresist in der Gestalt einer Elektrode 2, die teilweise mit der Elektrode 1 überlappt, gebildet. In der Gestalt dieses Photoresists wurden das Elektrodenmaterial 2c und die Isolierschicht 5 geätzt, worauf ein Abschälen des Resists folgte, um die Elektrode 2 und einen Elektroden-Abstandsbereich 6 zu bilden. Die anderen Größen jedes Materials - außer der Dicke - waren dieselben wie bei Beispiel 16.
Es wurden die Elektronenemissionseigenschaften der Elektronen emittierenden Vorrichtung, die gemäß dem obigen Verfahren erhalten wurde, gemessen. Im Ergebnis zeigte sich dieselbe Elektronenemission wie im Beispiel 16.

Beispiel 18

Beispiel 16 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß das Material für die feinen Teilchen und daß die organische Metallverbindung enthaltende Lösungsmittel durch eine SiO&sub2;-Flüssigbeschichtungsmischung ersetzt wurde, in der feine SnO&sub2;- Teilchen von etwa 10 nm (100 Å) primären Teilchendurchmesser dispergiert waren, um ein Experiment auszuführen. Im Ergebnis wurde dieselbe Elektronenemission wie im Beispiel 16 erhalten.

Beispiel 19

Eine Elektronen emittierende Vorrichtung wurde gemäß den oben beschriebenen Präparationsschritten (a) bis (d) der Fig. 30 erhalten.
Spezieller wurde auf ein sauberes Quarzglassubstrat von etwa 1 mm Dicke eine SiO&sub2;-Flüssigbeschichtungsmischung (Catapaste CCP (Handelsname), lieferbar von Okuno Seiyaku Kogyo) mit einer Rotationsvorrichtung durch Schleuderbeschichtung aufgetragen. Danach wurde die Beschichtung für 1 Stunde bei etwa 400ºC gebacken, um eine aus SiO&sub2; bestehende und eine Schichtdicke von etwa 100 nm (100= Å) aufweisende Isolierschicht 5a zu bilden. Nachfolgend wurde durch Schleuderbeschichtung mit einer Rotationsvorrichtung auf die Isolierschicht 5a ein organisches Lösungsmittel (Catapaste CCP, lieferbar von Okuno Seiyaku Kogyo) aufgetragen, welches eine organische Palladiumverbindung enthält. Danach wurde die Beschichtung für 10 Minuten bei etwa 250ºC gebacken, um aus Pd bestehende feine Teilchen 9 in dem Zustand zu halten, daß sie auf der Oberfläche der Isolierschicht 5a verteilt bzw. dispergiert vorliegen [siehe Fig. 30 (a)].
Als nächstes wurde auf die feinen Teilchen 9 und die Isolierschicht 5a, eine SiO&sub2;-Isolierschicht 5b in der selben Weise wie die Isolierschicht 5a mit einer Schichtdicke von etwa 50 nm (500 Å) aufgebracht, worauf eine Backbehandlung folgte.
Danach wurden die Isolierschichten 5a und 5b unter Verwendung einer wäßrigen Flußsäurelösung durch photolithographisches Ätzen geätzt, um einen Stufenabschnitt von etwa 150 nm (1500 Å) Höhe in der Mitte des Substrates 4 zu bilden [siehe Fig. 30 (c)].
Ni-Elektroden 1 und 2 mit etwa 500 nm (5000 Å) Schichtdicke wurden dann durch eine Abscheidung unter Verwendung der Elektronenstrahl-Vakuumabscheidung auf eine Weise gebildet, daß der Stufenabschnitt nicht vollständig bedeckt war. Ein so gebildeter Zwischenraum wird als Elektroden-Abstandsbereich 6 bezeichnet [siehe Fig. 30 (d)].
Die Elektronenemissionseigenschaften der Elektronen emittierenden Vorrichtung, die nach dem obigen Verfahren erhalten wurde, wurden gemessen, wobei sich zeigte, daß eine Elektronenemission mit einem Emissionsstrom von Ie = 2,0 uA und einem Emissions-Wirkungsgrad α = 8 x 10&supmin;³ erhalten wurde.

Beispiel 20

Wie in Fig. 32 dargestellt, wurde eine Ni-Elektrode 1 mit 500 Ä Dicke auf einem Glassubstrat 4 durch Vakuumabscheidung gebildet. Auf der Elektrode 1 wurde eine aus SiO&sub2; bestehende Isolierschicht 5a durch Vakuumabscheidung unter Verwendung eines Sputterverfahrens mit einer Schichtdicke von 100 nm (1000 Å) gebildet.
Danach wurde eine Elektronen emittierende Schicht aus Au mit 50 nm (500 Å) Dicke durch Vakuumabscheidung gebildet (eine Schicht 3a), und danach wurde eine Isolierschicht 5b (SiO&sub2;) mit einer Schichtdicke von 100 nm (1000 Å) durch Sputtern gebildet.
Nachdem die jeweiligen Schichten, die Isolierschicht 5a, die Elektronen emittierende Schicht 3a und die Isolierschicht 5b, laminiert wurden, sind sie teilweise - wie in Fig. 32 (a) dargestellt - längs der Form der Elektrode 1 auf die Elektrode 1 auflaminiert, worauf eine Musterbildung folgt. Als nächstes wird eine Elektrode 2 auflaminiert. Die Elektrode 2 wurde aus Ni gefertigt, um den Verdrahtungswiderstand niedriger zu halten. Deren Dicke wurde auf 500 nm (5000 Å) eingestellt, um den erforderlichen Verdrahtungswiderstand zu erhalten.
Nachdem die Elektrode 2 durch Vakuumabscheidung auflaminiert wurde, wurde die Elektrode 2 beispielsweise durch einen gewöhnlichen photolithographischen Prozeß, längs der Gestalt der Elektrode 1, der Isolierschicht 5a, der Elektronen emittierenden Schicht 3a und der Isolierschicht 5b einer Musterbildung unterzogen, wie in Fig. 32 (b) gezeigt.
Eine Pd-haltige organische Metallösung (Catapaste, lieferbar von Okuno Seiyaku Kogyo Co.) wurde durch Schleuderbeschichtung als eine Elektronen emittierende Schicht aufgebracht, worauf ein Backen für 10 Minuten bei 250ºC folgte, um Elektronen emittierende Körper auf der Oberfläche einer Seitenwand der Isolierschichten bereitzustellen. Eine Spannung von 14 V wurde zwischen die Elektroden 2a und 2b unter Verwendung einer (nicht gezeigten) Ableit-Elektrode, die oberhalb des Vorrichtungs-Substrates angeordnet war, angelegt, und eine Ableitspannung von 500 V wurde angelegt, um eine Emission von Elektronenstrahlbündeln 7 von 1,7 uA zu erhalten.

Beispiel 21

Fig. 33 (d) stellt einen Querschnitt einer beim vorliegenden Beispiel erhaltenen Elektronen emittierenden Vorrichtung dar [siehe Fig. 33 (a) bis (d) hinsichtlich der Präparationsschritte].
Auf ein sauberes Quarzglassubstrat 4 mit etwa 1 mm Dicke wurde eine durch Mischen einer organischen Palladiumverbindungs-Lösung (Catapaste CCP (Handelsname), lieferbar von Okuno Seiyaku Kogyo) mit einer SiO&sub2;-Flüssigbeschichtungsmischung (OCD, lieferbar von Tokyo Ohka Kogyo) derart präparierte Lösung, daß sie ein Molverhältnis von SiO&sub2; : Pd von etwa 10 : 1 hatte, durch Schleuderbeschichtung mit einer Rotationsvorrichtung aufgetragen. Danach wurde die erhaltene Beschichtung für 1 Stunde bei etwa 400ºC gebacken, um eine SiO&sub2;-Isolierschicht 5 mit einer Schichtdicke von etwa 350 nm (3500 Å), die Elektronen emittierende Materialien 9 (feine Pd-Teilchen) enthielt, zu erhalten [siehe Fig. 33 (a)].
Als nächstes wurde die Isolierschicht 5 durch photolithographisches Ätzen unter Verwendung von wäßriger Flußsäurelösung geätzt, um einen gestuften Abschnitt 10 mit etwa 350 nm (3500 Å) Höhe in der Mitte des Substrates 4 zu bilden [siehe Fig. 33 (b)].
Danach wurden Ni-Elektroden 1 und 2 mit etwa 50 nm (500 Å) Schichtdicke durch Abscheidung unter Anwendung der Elektronenstrahl-Vakuumabscheidung so gebildet, daß sie die in Fig. 33 (c) dargestellte Gestalt hatten, wobei der gestufte Abschnitt nicht vollständig überdeckt sein kann.
Elektronen emittierende Körper 3b wurden weiterhin auf die Oberfläche einer Seitenwand der Isolierschicht auf dieselbe Weise wie in Beispiel 19 aufgebracht [siehe Fig. 33 (d)].
Die Elektronenemissionseigenschaften der gemäß dem obigen Verfahren erhaltenen Elektronen emittierenden Vorrichtungen wurden gemessen, wobei sich zeigte, daß eine Elektronenemission mit einem ungefähren Emissionsstrom von Ie = 4 uA und einem Emissions-Wirkungsgrad α = 2 x 10&supmin;³ bei einer angelegten Vorrichtungs-Spannung Vf = 14 V und einer Ableitspannung Va = 1 kV erhalten wurde.

Beispiel 22

Das Beispiel 21 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß die organische Metallverbindungslösung, die im Beispiel 21 die Elektronen emittierenden Körper 3b ergab, durch eine SiO&sub2;- Flüssigbeschichtungsmischung ersetzt wurde, in der feine SiO&sub2;-Teilchen von etwa 10 nm (100 Å) Teilchendurchmesser dispergiert waren, um eine ähnliche Elektronen emittierende Vorrichtung herzustellen. Es wurden im wesentlichen dieselben Ergebnisse wie im Beispiel 21 erhalten.

Beispiel 23

Ähnliche Ergebnisse wurden auch erhalten, wenn die zur Bildung der Elektronen emittierenden Körper 3b im Beispiel 20 verwendete organische Metallverbindungslösung durch eine Beschichtungsmischung ersetzt wurde, in der feine SnO&sub2;-Teilchen mit etwa 10 nm (100 Å) Teilchendurchmesser durch Dispersion zusammen mit einem organischen Bindemittel aufgelöst waren.

Beispiel 24

Auf ein Substrat wurde ein SiO&sub2;-Film im Vakuum abgeschieden, um eine Isolierschicht 5a zu bilden, auf die Pd mit einer Dicke von 50 nm (500 Å) als Elektronen emittierende Schicht 3a im Vakuum abgeschieden wurde, und weiter wurde eine Isolierschicht 5b durch Vakuumabscheidung einer SiO&sub2;-Schicht gebildet. [siehe Fig. 34 (a)].
Danach wurden die Isolierschichten 5a, 5b und die Elektronen emittierende Schicht 3a geätzt, um einen Stufenabschnitt 18 zu bilden [siehe Fig. 34 (b)].
Danach wurde durch maskierte Vakuumabscheidung Ni mit einer Dicke von 50 nm (500 Å) aufgebracht, um Elektroden 1 und 2 zu bilden [siehe Fig. 34 (c)].
Weiter wurde eine organische Palladiumlösung auf die Oberfläche des Vorrichtungssubstrates aufgebracht, worauf ein Backen zur Bereitstellung Elektronen emittierender Körper 3b auf der Seitenwand des Stufenabschnitts folgte [siehe Fig. 34 (d)].
Die erhaltene Elektronen emittierende Vorrichtung hat einen Aufbau, bei dem - im Gegensatz zum Beispiel 20 - Elektronen emittierende Materialien nur in der Nähe des Stufenabschnitts vorhanden sind.
Es wurden ebenso gute Ergebnisse erhalten wie im Beispiel 20.

Beispiel 25

Beispiel 24 wurde wiederholt, um eine Elektronen emittierende Vorrichtung zu erhalten, mit der Ausnahme, daß die Schicht aus feinen Pd-Teilchen der Elektronen emittierenden Schicht 3a im Beispiel 24 durch eine Schicht ersetzt wurde, die durch Auftragen einer Lösung mit dispergierten feinen Pd-Teilchen erhalten wurde, wie in Fig. 35 gezeigt. Es wurde dieselbe Elektronenemission erhalten.

Beispiel 26

Dieselbe Elektronenemission wie im Beispiel 20 wurde auch bei der Vorrichtung erhalten, bei der - wie in Fig. 36 dargestellt - eine durch Gasphasenabscheidung gebildete Pd- Schicht, die als Elektronen emittierende Schicht 3a diente, in einer Isolierschicht 5 angeordnet war, die Elektronen emittierende Materialien 9, wie feine Pd-Teilchen, enthielt, in der ein Stufenabschnitt gebildet wurde und Elektronen emittierende Körper 3b weiter auf der Seitenwand des Stufenabschnittes durch Auftragen einer organischen Palladiumlösung mit anschließendem Backen bereitgestellt wurden.

Beispiel 27

Bei dem in Fig. 37 dargestellten Aufbau wurden auf einem Glassubstrat 4 Titanelektroden 1 und 2 mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å) L = 0,8 um und W = 300 um gebildet, und danach wurden SnO&sub2; und Pd als feine Teilchen in einem verteilten bzw. dispergierten Zustand zwischen den Elektroden angeordnet.
Als Verfahren hierzu wurde durch Schleuderbeschichtung eine SnO&sub2;-Dispersion (SnO&sub2;: 1 g, Lösungsmittel: MEK (Methylethylketon/Cyclohexanon = 3/1) : 1000 cc, Butyral: 1 g) mit einem primären Teilchendurchmesser von 8 bis 20 nm (80 bis 200 Å) aufgebracht, worauf ein Erwärmen folgte. Eine Pd-Dispersion mit einem primären Teilchendurchmesser von 10 nm (100 Å) wurde weiterhin durch Schleuderbeschichtung aufgetragen, worauf ein Erwärmen folgte, um eine Elektronen emittierende Vorrichtung zu erhalten.
Zwischen die Elektroden der so gebildeten Vorrichtung wurde eine Spannung angelegt. Im Ergebnis dessen wurde ein Elektronenemissionsstrom von 1,1 uA bei einer angelegten Spannung von 15 V erhalten.
Somit wird im wesentlichen dieselbe Elektronenemission auch mit einer angelegten Spannung erhalten, die um etwa 5 V (Volt) niedriger ist als diejenige, bei der Vorrichtung, die nur SnO&sub2; aufweist und keine feinen Pd-Teilchen enthält. Auf diese Weise konnte die Ansteuerspannung durch die Vorrichtung, die unterschiedliche Arten feiner Teilchen enthielt, vermindert werden.

Beispiel 28

Im Hinblick auf die SnO&sub2;-Dispersion des Beispiels 27 wurde eine SnO&sub2;-Dispersion mit 8 bis 20 nm (80 bis 200 Å) Teilchendurchmesser und eine SnO&sub2;-Dispersion mit etwa 300 nm (3000 Å) Teilchendurchmesser präpariert, und beide Arten SnO&sub2;-Dispersionen wurden auf dieselbe Weise wie im Beispiel 27, aber mit jeweils einem Schritt für eine Dispersion, aufgetragen, wodurch feine Teilchen in einem verteilten bzw. dispergierten Zustand zur Bildung einer Elektronen emittierenden Vorrichtung angeordnet wurden.
Als Elektronenemissionseigenschaften der so gebildeten Vorrichtung wurde ein Elektronenemissionsstrom von etwa 1,1 uA bei einer angelegten Spannung von 17 V erhalten.
Somit wird im wesentlichen dieselbe Elektronenemission auch mit einer angelegten Spannung erhalten, die etwa 3 V niedriger als bei der Vorrichtung ist, die durch Zweischritt-Beschichtung mit den SnO&sub2;-Dispersionen von 8 bis 20 nm (80 bis 200 Å) Teilchendurchmesser erhalten wurde. Auf diese Weise konnte die Ansteuerspannung durch Hinzufügung von Teilchen mit einem größeren Teilchendurchmesser verringert werden.

[Effekt der Erfindung]

Wie oben beschrieben, können mit der Elektronen emittierenden Vorrichtung der vorliegenden Erfindung und dem Verfahren zur Herstellung derselben Elektronen emittierende Vorrichtungen ohne Anwendung der beim Stand der Technik erforderlichen Formierungsbehandlung gebildet werden, die einen stabilen Aufbau auch dann haben können, wenn der Elektroden-Abstandsbereich, der die Elektronen emittierenden Materialien aufweist, sehr schmal gemacht wird.
Weiterhin sind die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Elektronen emittierenden Vorrichtungen weitgehend frei von den die Formierungs-Behandlung üblicherweise begleitenden Schwierigkeiten, so daß es möglich wird, Vorrichtungen mit weniger Ungleichmäßigkeiten in den Eigenschaften in einer großen Zahl und leicht herzustellen, was eine gute industrielle Anwendbarkeit mit sich bringt.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltene Elektronen emittierende Vorrichtung kann auch in planaren bzw. flachen Anzeigevorrichtungen verwendet werden, in denen die Elektronen emittierenden Vorrichtungen in einer einzelnen Ebene angebracht sind und die durch Anlegen einer Spannung emittierten Elektronen beschleunigt werden, um Leuchtstoffe zum Bewirken einer Lichtemission anzuregen.
Eine Elektronen emittierende Vorrichtung, die stabiler und von längerer Lebensdauer ist und auch einen guten Wirkungsgrad hat, kann durch Einsatz eines Mehrschichtaufbaues auf den Elektrodenaufbau erhalten werden.
Des weiteren ist die Elektronen emittierende Vorrichtung, in der die feinen Teilchen in der Isolierschicht fixiert sind, frei von irgendwelchen Bewegungen der feinen Teilchen während der Ansteuerung, und sie kann damit eine Elektronen emittierende Vorrichtung sein, die stabil und von verlängerter Lebensdauer ist.
Der Elektronenemissions-Wirkungsgrad kann durch geeignete Einstellung der Dichte der feinen Teilchen verbessert werden.

Claims

1. Elektronen emittierende Vorrichtung mit

- einer Isolierschicht zwischen einem Paar von Elektroden,

- einer von den Elektroden isolierten Elektronen emittierenden Zone auf einer Oberfläche der Isolierschicht, die in einem Teil von dieser gebildet ist, in dem die Elektroden einander gegenüberliegen, und

- Mitteln zum Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden zum Bewirken einer Elektronenemission

dadurch gekennzeichnet, daß

die Elektronen emittierende Zone Teilchen aus Elektronen emittierendem Material aufweist

I) in der Oberfläche der Isolierschicht zwischen den Elektroden (9 in den Figuren 19, 14, 18, 19, 25, 26, 27), oder

II) in Form einer separaten Schicht innerhalb der Isolierschicht, wobei die separate Schicht an der Oberfläche der Isolierschicht zwischen den Elektroden (9 in Figur 30, 3a in den Figuren 3 und 4) zutage tritt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

wobei die Elektronen emittierende Zone in Form der Alternative II vorliegt, wobei

zusätzliche Teilchen aus Elektronen emittierendem Material auf der Oberfläche der Isolierschicht zwischen den Elektroden vorgesehen sind (Figuren 6b, 31, 32, 34, 35).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

wobei die Elektronen emittierende Zone zusätzlich Teilchen aus Elektronen emittierenden Materialien aufweist, die in der Isolierschicht dispergiert sind (Figur 36).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

wobei das Elektronen emittierende Material mindestens zwei unterschiedliche Materialarten aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

wobei das Elektronen emittierende Material aus der aus Boriden, Karbiden, Nitriden, Metalloxiden, Halbleitern und Kohlenstoff bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

wobei das Elektronen emittierende Material aus Nb, Mo, Rh, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt, Ti, Au, Ag, Cu, Cr, Al, Co, Ni, Fe, Pb, Pd, Cs und Ba ausgewählt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

wobei das Elektronen emittierende Material ein aus In&sub2;O&sub3;, SnO&sub2;, BaO, MgO oder Sb&sub2;O&sub3; ausgewähltes Metalloxid aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

wobei das Elektronen emittierende Material feine Teilchen aus Pd oder SnO&sub2; aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

wobei eine oder beide der Elektroden in Form einer Mehrfachschicht vorliegen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9,

wobei mindestens eine Schicht der Mehrfachschicht aus einem Material hergestellt ist, das durch Ionensputtern nicht leicht geschädigt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10,

wobei das Material ein hochschmelzendes aus der aus W, LaB&sub6;, Kohlenstoff, TiC und TaC bestehenden Gruppe ausgewähltes Material ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11,

wobei mindestens eine Schicht der Mehrfachschicht ein eine niedrige Austrittsarbeit zeigendes Material aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12,

wobei das Material aus der aus SnO&sub2;, In&sub2;O&sub3;, BaO, LaB&sub6; Cs und CsO bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13,

wobei mindestens eine Schicht der Mehrfachschicht ein Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14,

wobei das Material aus der aus Ag, Al, Cu, Cr, Ni, Mo, Ta, W oder einer Legierung hieraus bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Isolierschicht ein Glas aufweist.

17. Elektronen emittierende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,

wobei die Isolierschicht einige Nanometer bis zu einige 10 um dick ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17,

die ein Substrat umfaßt, welches ein poröses Glas aufweist, in dem ein Metalloxid abgeschieden ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18,

bei der die Isolierschicht ein Metallkolloidteilchen enthaltendes farbiges Glas ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19,

wobei die Isolierschicht durch eine Halbleiterschicht ersetzt ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20,

wobei die Halbleiterschicht amorphes Silicium, kristallines Silicium oder einen Verbindungshalbleiter aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Halbleiterschicht 5 nm bis zu 10 um dick ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20,

wobei die Isolierschicht (11) als ein ebenes Substrat zum Tragen des Paares von Elektroden und der Elektronen emittierenden Zone fungiert.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20,

wobei die Vorrichtung ein ebenes Substrat zum Tragen sowohl der Isolierschicht als auch des Paares von Elektroden hat (Figuren 8 bis 26).

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20,

wobei jedes der Teilchen selbst teilweise in der Isolierschicht vergraben ist (Figuren 10, 11(5), 12, 14(5), 18, 19(3), 21, 25, 26(5)).

26. Verfahren zum Herstellen einer Elektronen emittierenden Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, mit den Schritten

- Bilden von Elektroden auf einem Substrat,

- Verteilen von Teilchen aus einem Elektronen emittierenden Material zwischen den Elektroden, und

- Bilden einer Isolierschicht auf den Teilchen.

27. Verfahren nach Anspruch 26,

wobei die Teilchen zwischen den Elektroden durch Beschichten, durch Vakuumabscheidung oder durch thermischer Zersetzung einer metallorganischen Verbindung dispergiert werden.

28. Verfahren zur Herstellung einer Elektronen emittierenden Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, mit den Schritten

- Verbringen der Elektronen emittierenden Teilchen in die Isolierschicht oder die Halbleiterschicht derart, daß sie vollständig darin eingeschlossen sind, und

- Ätzen der Schicht, um die Teilchen teilweise freizulegen.

29. Verfahren zur Herstellung der Elektronen emittierenden Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 25, mit den Schritten

- Bilden von Elektroden auf einem Substrat und

- Aufbringen einer Schicht einer Dispersion aus Elektronen emittierenden Teilchen in einem organischen Bindemittel mit einem wahlweise vorliegenden Lösungsmittel zwischen die Elektroden.

30. Verfahren nach Anspruch 29,

wobei das organische Bindemittel aus Butyralharzen, Acrylharzen, Vinylchlorid, Vinylacetat-Copolymeren, Phenolharzen, Polyamiden, Polyestern und Urethanen ausgewählt ist.

31. Verwendung der Elektronen emittierenden Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 für eine Anzeigevorrichtung.

32. Verwendung der Elektronen emittierenden Vorrichtung nach Anspruch 31,

wobei die von den Elektronen emittierenden Vorrichtungen, die auf einem Substrat integriert sind, emittierten Elektronen Leuchtstoffe anregen, wobei die Leuchtstoffe Licht anregen, so daß eine Anzeige bewirkt wird.