JP2000311589A - 電子放出素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子放出特性に優れた電子放出素子を簡単に
製造可能とする、電子放出素子の製造方法を提供する。 【解決手段】 基板１に、エミッタ電極２としてＮｂ膜
をスパッタ法で形成し、さらに、電子放出層３として、
炭素膜を形成し、その後、炭素膜上にスパッタ法で絶縁
層４の酸化シリコン膜とゲート電極５であるＮｂ膜、ア
ルミニウム膜７を形成し、次に、シュウ酸中でアルミニ
ウムを４０Ｖで陽極酸化して多孔質化し、アルミナ多孔
質の孔９を通してゲート電極５および絶縁層４をＣＦ₄
ガスでエッチングし、ナノホール６を形成することで電
子放出層３を露出し、最後に、レジストおよび多孔質化
したアルミナを除去した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子を放出するた
めの電子源などに適用される電子放出素子（冷陰極電子
放出素子）の製造方法に関するものであり、製造された
電子放出素子は、例えば、フラットパネルディスプレイ
に好適に応用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】電界放出型電子放出素子（以下、ＦＥ素
子と称す。）は多数の電子放出素子を一体として作製可
能であり、薄型のディスプレイへの応用が期待される。

【０００３】ここで、ＦＥ素子の代表的なものとして、
Ｓｐｉｎｄｔにより提案されたコーン状の電子放出素子
がある。

【０００４】これは円形に開けられた電極の中心の作ら
れた尖った放出部より電子が放出する構成である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来技術の場合には、下記のような問題が生じて
いた。

【０００６】上述したＳｐｉｎｄｔ型ＦＥ素子の場合に
は、電子放出部は概ね数μ角に１個であり、極めて先鋭
な点から電子が放出するため、単位面積あたりの電子放
出面積が小さい。

【０００７】すなわち、例えばディスプレイとして必要
な放出電流を得るためには１放出点から大きな放出電流
密度が必要となり、電子放出部の熱的な破壊を引きおこ
し、ＦＥ素子の寿命を制限することになる。

【０００８】また、Ｓｐｉｎｄｔ型以外にもゲート電極
に形成された孔から電子を放出させる電子放出素子が提
案されている（例えば、特開平７−２０１２７５）。

【０００９】この場合には、Ｓｐｎｉｎｄｔ型も同様で
あるが、ゲート電極に孔が形成されると、孔の周辺の電
界は放出電子を広げるように作用する。

【００１０】すなわち、電子ビームが大きくなるような
電界が形成されるため、高精細なディスプレイに応用す
るためには不都合であり、小さな径の電子ビームを得る
ためには収束電極等の手段を付加する必要がある。

【００１１】他のＦＥ素子の例として微細孔からの電子
放出させる電子源が提案されている。

【００１２】例えば、アルミニウムに陽極酸化により多
数の微細孔を形成し、その中に電子放出部を作製したＦ
Ｅ素子がある。

【００１３】この場合、陽極酸化で形成した多孔質上に
電極を設ける際に、孔の内部が電極材料で埋め込まれな
いようにする必要がある。

【００１４】その手段として、斜め蒸着法が提案されて
いるが、ディスプレイのように大きな基板に適応すると
場所により入射角度や堆積量が異なるという問題があ
る。

【００１５】以上のように、これまでに提案されたＦＥ
素子は、殊にディスプレイへの応用を考えたときに要求
される、放出電子ビーム径が小さいこと、電子放出面積
が大きくかつ比較的低電圧で電子放出可能であること、
かつ大面積基板に作製が容易であることを満足するもの
ではなかった。

【００１６】本発明は上記の従来技術の課題を解決する
ためになされたもので、その目的とするところは、電子
放出特性（放出する電子の広がりを低減する（電子ビー
ム径を小さくする）ことや、電子放出面積を大きくする
ことや低電圧で電子放出可能とすることなど）に優れた
電子放出素子を簡単に製造可能とする、電子放出素子の
製造方法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の電子放出素子の製造方法にあっては、絶縁性
基板上に、エミッタ電極層，電子放出層，絶縁層，ゲー
ト電極層，アルミニウム層を順に積層する積層工程と、
前記アルミニウム層を多孔質化する第１多孔質化工程
と、多孔質化されたアルミニウム層をマスクとして、前
記ゲート電極層および絶縁層を多孔質化する第２多孔質
化工程と、該第２多孔質化工程の終了後に前記多孔質化
されたアルミニウム層を除去する除去工程と、を有する
ことを特徴とする。

【００１８】これにより、簡単にゲート電極層および絶
縁層に微細な孔を多数形成することができる。

【００１９】前記電子放出層が炭素膜によって形成され
るとよい。

【００２０】前記エミッタ電極と電子放出層との間に、
微粒子金属膜を形成するとよい。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、この発明
の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただ
し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、
材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載が
ない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣
旨のものではない。

【００２２】本発明の実施の形態は、多数の微細な電子
放出部を有する電子放出素子の製造方法に関するもので
あり、概略、絶縁性基板上にエミッタ電極、電子放出
層、絶縁層、ゲート電極、アルミニウム層を順次積層す
る工程（積層工程）と、アルミニウム層を多孔質化する
工程（第１多孔質化工程）、多孔質化されたアルミニウ
ム層をマスクとしてゲート電極と絶縁層を多孔質化する
工程（第２多孔質化工程）、多孔質化したアルミニウム
層を除去する工程（除去工程）と、を有する電子放出素
子の製造方法について示している。

【００２３】ここで、上記電子放出層の電子放出材料と
しては、炭素膜とするのが好ましく、また、エミッタ電
極と電子放出層との中間に微粒子金属膜を形成するのが
好ましい。

【００２４】そして、本発明の実施の形態に係る電子放
出素子の製造方法を用いれば、多数の微細な放出部を多
孔質により作製することができ、電子放出面積を大きく
し、放出電流が大きく、高効率な電子放出素子を製造す
ることが可能となる。

【００２５】ここで、微細な多孔質体の作製法としてア
ルミニウムの陽極酸化法は有効である。

【００２６】アルミニウムを陽極酸化することで、ミク
ロン以下の径の孔を多数形成できる。

【００２７】この孔を用いて電子放出素子を製造するこ
とも可能ではあるが、本発明の実施の形態においては、
多孔質アルミナをマスクとし、その下層の電極および絶
縁層にアルミナと同様の孔を形成することによって、再
現性よく電子放出素子を製造できるようにしたものであ
る。

【００２８】多孔質アルミナのようなサブミクロンある
いはそれ以下の径の細孔を高密度に配列した形状を適用
して電子放出素子を製造する利点は、孔周辺に発生する
電界形状に良い影響がでることである。

【００２９】すなわち、単一の孔の開口部における電界
は等電位面がドーム状に形成されるため、この電界によ
り放出された電子は発散する方向に加速され、その結果
ビーム径が大きなものとなってしまう。

【００３０】また、一部の電子が電極に吸収される結
果、電子放出効率が小さくなってしまう。

【００３１】一方、本実施の形態のように、多数の細孔
が高密度に配列している場合には、電位が平均化（平坦
化）される効果により、電極に吸収される電子が少なく
なるとともにビームの広がりが抑えられるという利点が
ある。

【００３２】ここで、アルミナの多孔質をそのまま電子
放出素子に使用しようとする場合には、陽極酸化処理後
にアルミナ表面に電極を形成する必要があるが、表面の
みに電極を形成するのは技術的に困難である。

【００３３】一方、本発明の実施の形態によれば、細孔
上の電極をあらかじめ形成できるため、電子放出素子の
製造が極めて容易となる。

【００３４】次に、本発明の実施の形態に係る電子放出
素子の製造方法によって、製造される電子放出素子につ
いて、図１を参照してより詳しく説明する。

【００３５】図１は本発明の実施の形態に係る電子放出
素子の製造方法により製造される電子放出素子の概略構
成断面図であり、多数の細孔を放出部とした電子放出素
子の断面を模式的に示している。

【００３６】図１において、１は絶縁性基板、２はエミ
ッタ電極、３は電子放出層、４は絶縁層、５はゲート電
極、６はナノホールと呼ばれる細孔である。

【００３７】ここで、エミッタ電極２は、電子放出層３
に電流を供給するために設けられたものであり、金属等
十分に低抵抗の材料で作製されることが好ましい。

【００３８】電子放出層３は、エミッタ電極２と電気的
に接続しており、導電性を有し、耐熱性の高い材料が適
する。

【００３９】さらに、その材料が低仕事関数であること
が好ましく、そのようにすることで、低電界で電子放出
が可能となる。

【００４０】電子放出させる電界は、電子放出層３とゲ
ート電極５との電位差、すなわち実効的にはエミッタ電
極２とゲート電極５の電位差と絶縁層４の厚みに依存す
る。

【００４１】絶縁層４は、電子放出電圧以上の絶縁耐圧
を有し、誘電率が小さい材料が好ましい。

【００４２】すなわち、電子放出電圧が絶縁層４の絶縁
耐圧以下であるという条件を満たすために、電子放出層
３は低仕事関数であることが好ましい。

【００４３】また、絶縁層４を、十分な絶縁耐圧を確保
するために必要な厚みとし、かつ電子放出電圧を小さく
するためにも、電子放出層３は低仕事関数であることが
好ましい。

【００４４】また、電子放出層３はその表面層のみ仕事
関数が小さくても同様の効果が期待できる。

【００４５】電子放出層３は、金属、金属酸化物、炭
素、炭化物、硼化物、窒化物等から選ばれる材料が適用
されるが、炭素あるいは炭素化合物材料とすれば、電子
放出が安定する。

【００４６】なかでも、炭素原子の結合状態として、ｓ
ｐ３（ダイアモンド構造）およびｓｐ２（グラファイト
構造）が混在する炭素とすれば、低電界で電子放出可能
であることが知られている。

【００４７】このような構造を有する炭素膜は、熱フィ
ラメント法、プラズマＣＶＤ法、イオンアシスト蒸着法
等で作製される。

【００４８】上述の低仕事関数材料を用いる以外に、低
電界で電子放出させる手段として、形状効果により放出
部に電界集中させることも有効である。

【００４９】例えば、微粒子あるいは島状や突起状にす
ることで材料の仕事関数を小さくすることなく低電圧で
電子放出が可能となる。

【００５０】この場合には、あらかじめ微粒子形状とし
た電子放出体をエミッタ電極上に塗布する、あるいは金
属等の材料を薄く蒸着することにより微粒状ないしは島
状形状が形成される。

【００５１】また、有機金属から金属を析出させる方法
等によっても微粒子状の堆積物を作製することができ
る。

【００５２】さらに、微粒子状金属等の炭素膜を被覆し
て電子放出の安定化を図ることも有効である。

【００５３】

【実施例】以下、上述した発明の実施の形態に係る電子
放出素子の製造方法に基づいた具体的な製造方法につい
ていくつか説明する。

【００５４】（第１実施例）図２は本発明の実施例に係
る電子放出素子の製造方法を示す製造工程図である。

【００５５】石英ガラスで構成された基板１に、エミッ
タ電極２としてＮｂ膜をスパッタ法で形成した。

【００５６】なお、基板は石英ガラス以外にもその表面
が絶縁性であり、電極間がリークしない材料であれば良
い。

【００５７】また、エミッタ電極もＮｂ以外の金属ある
いは低抵抗な化合物が適応できる。

【００５８】Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｐｔ等の金属は熱安定
性が高いため好ましく使用される。

【００５９】エミッタ電極の形成方法は、スパッタ法以
外にも、真空蒸着法やＣＶＤ法等が使用される。

【００６０】つぎに電子放出層３として、メタンガスと
水素の混合ガスを用いた熱フィラメント法により炭素膜
を形成した（図２（ａ）の構成まで完了）。

【００６１】この炭素膜はラマン分光法により１３３０
ｃｍ^-1および１５８０ｃｍ^-1近傍を中心とした２つのピ
ークのスペクトルを示し、ｓｐ３およびｓｐ２結合の混
合であることが示された。

【００６２】その後、図２（ｂ）に示すように、炭素膜
上にスパッタ法で絶縁層４の酸化シリコン膜とゲート電
極５であるＮｂ膜、アルミニウム膜７を形成した。

【００６３】以上が積層工程である。

【００６４】ここで、絶縁層４の酸化シリコンは誘電率
が小さく、絶縁耐圧が高い材料である。

【００６５】また、ゲート電極５はエミッタ電極２と同
じ材質でもよいし、違う材料を使用してもよい。

【００６６】次に、図２（ｃ）に示すように、シュウ酸
中でアルミニウムを４０Ｖで陽極酸化して多孔質化した
（第１多孔質化工程）。

【００６７】ここで、アルミニウム膜７上にあらかじめ
レジスト８で孔パターンを形成し、その孔部分のみを陽
極酸化で多孔質化した。

【００６８】さらに、リン酸で多孔質の孔径を大きくし
た。

【００６９】そして、アルミナ多孔質の孔９を通してゲ
ート電極５および絶縁層（酸化シリコン膜）４をＣＦ₄
ガスでエッチングし、ナノホール（細孔）６を形成する
ことで電子放出層３を露出した（第２多孔質工程）。

【００７０】最後に、図２（ｄ）に示すように、レジス
トおよび多孔質化したアルミナを除去した（除去工
程）。

【００７１】以上の方法により微小な細孔が制御性よく
形成されるとともに、電極および電子放出層の形成に従
来の薄膜形成プロセスが応用できる利点がある。

【００７２】また、本実施例により製造された電子放出
素子を真空装置内に設置し、エミッタ電極を負極、ゲー
ト電極を正とした電圧を印加することにより、電子放出
層３より電子放出が確認された。

【００７３】そのときの電子放出閾値電界（電子放出開
始電界）は、１２０ｋＶ／ｃｍと低い電界強度で電子放
出した。

【００７４】また、１ｍＡ／ｃｍ²の放出電流を得た。

【００７５】（第２実施例）本実施例においては、上記
第１実施例における電子放出層３の作製をイオンビーム
スパッタ法により行った場合について示す。

【００７６】ターゲットとしてグラファイトを使用し、
基板１に１００ｅＶの窒素イオンを照射しつつ、炭素膜
をエミッタ電極２であるＮｂ膜上に形成した。

【００７７】このとき基板温度は２５０℃とした。

【００７８】エミッタ電極２、絶縁層４、ゲート電極５
等の作製は実施例１と同様の製法に行った。

【００７９】本実施例により製造された電子放出素子を
真空装置内に設置し、エミッタ電極を負極、ゲート電極
を正とした電圧を印加することにより、電子放出層３よ
り電子放出が確認された。

【００８０】そのときの電子放出閾値電界が８ｋＶ／ｃ
ｍ、１ｍＡ／ｃｍ²の放出電流の電子放出素子が製造で
きた。

【００８１】（第３実施例）本実施例では、石英ガラス
にエミッタ電極２としてＴａ膜をスパッタ法で形成した
場合について示している。

【００８２】本実施例では、酢酸ニッケル溶液をスピン
ナで塗布し、３００℃で焼成することにより厚み約１０
ｎｍの微粒子状Ｎｉ膜を形成した。

【００８３】そして、アセチレン、水素、ヘリウムガス
中で基板１を５００℃に加熱し、Ｎｉ微粒子を核として
電子放出層３となる炭素膜を堆積した。

【００８４】なお、レジストやポリアクリロニトリル、
ポリイミド等の有機樹脂膜を薄く塗布し、これを炭化す
ることにより炭素膜を金属上に被覆することも可能であ
る。

【００８５】そして、電子放出層３上に絶縁層４である
酸化シリコン膜を形成した。

【００８６】次にゲート電極５であるＴａ膜とアルミニ
ウム膜７を積層したのち、上記第１実施例と同様にアル
ミニウムを陽極酸化して多孔質化およびゲート電極のＴ
ａ膜と酸化シリコン膜をエッチングにより細孔を形成
し、炭素膜により被覆されたＮｉ微粒子を露出した。

【００８７】本実施例で製造した電子放出層３は微粒子
状であり、微細な凹凸を有しているので、平坦な表面よ
り低電圧で電子放出が可能である。

【００８８】（その他の実施例）これまでの説明では、
電子放出素子の１素子を単位として、その構成および製
造方法を説明したが、本実施例では電子放出素子を、基
板に２次元的に複数個配置した電子源を製造する場合に
ついて説明する。

【００８９】図３はその平面模式図であり、簡単のため
に３×３個の電子放出素子のみ表わしてある。

【００９０】ただし、形成される電子放出素子の個数お
よびその大きさは用途により適宜設定されるものであ
る。

【００９１】上述した発明の実施の形態および実施例に
よれば、一個の電子放出素子の大きさを配線巾程度とす
ることができ、高密度な電子源の製造も可能である。

【００９２】洗浄したガラス基板にエミッタ電極および
電子放出層を成膜し、フォトリソグラフィーおよびエッ
チングによりライン状に加工した（第１ライン１１）。

【００９３】なお、材料および薄膜作製は、上記第１実
施例と同様の手段を用いた。

【００９４】次に、絶縁層、ゲート電極、アルミニウム
を積層したのち、レジストを塗布し、エミッタ電極と直
交するライン状にアルミニウム膜とゲート膜を加工した
（第２ライン１２）。

【００９５】つぎに、陽極酸化部分のレジストを除去
し、アルミニウム膜をシュウ酸中、４０Ｖで多孔質化し
た後、ポアワイド処理した。

【００９６】陽極酸化で形成したアルミナをマスクとし
てＣＦ₄ガスのドライエッチングでゲート電極および絶
縁層を貫通する孔を形成した。

【００９７】以上のように製造した電子源の対向する位
置に、電子が衝突されることによって発光する発光体を
配置して、画像表示装置を製造できる。

【００９８】すなわち、上記のように製造した電子源の
行列配線の一方を走査配線、他方を信号配線としたマト
リクス駆動を行い、電子源に対向した蛍光体に電子を照
射することにより画像表示を行うことができる。

【００９９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、多孔質
化されたアルミニウム層をマスクとして、ゲート電極層
および絶縁層を多孔質化した後に、多孔質化されたアル
ミニウム層を除去するようにしたので、電子放出特性
（放出する電子の広がりを低減する（電子ビーム径を小
さくする）ことや、電子放出面積を大きくすることや低
電圧で電子放出可能とすることなど）に優れた電子放出
素子を、簡単に製造可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の製造
方法により製造される電子放出素子の概略構成断面図で
ある。

【図２】本発明の実施例に係る電子放出素子の製造方法
を示す製造工程図である。

【図３】本発明の実施例に係る電子放出素子を２次元的
に複数個配置した電子源の平面模式図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ エミッタ電極 ３ 電子放出層 ４ 絶縁層 ５ ゲート電極 ６ ナノホール ７ アルミニウム膜 ８ レジスト ９ アルミナ多孔質の孔 １１ 第１ライン １２ 第２ライン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性基板上に、エミッタ電極層，電子放
   出層，絶縁層，ゲート電極層，アルミニウム層を順に積
   層する積層工程と、 前記アルミニウム層を多孔質化する第１多孔質化工程
   と、 多孔質化されたアルミニウム層をマスクとして、前記ゲ
   ート電極層および絶縁層を多孔質化する第２多孔質化工
   程と、 該第２多孔質化工程の終了後に前記多孔質化されたアル
   ミニウム層を除去する除去工程と、を有することを特徴
   とする電子放出素子の製造方法。
2. 【請求項２】前記電子放出層が炭素膜によって形成され
   ることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子の製
   造方法。
3. 【請求項３】前記エミッタ電極と電子放出層との間に、
   微粒子金属膜を形成することを特徴とする請求項１また
   は２に記載の電子放出素子の製造方法。