JP3421549B2

JP3421549B2 - 真空マイクロ装置

Info

Publication number: JP3421549B2
Application number: JP24909697A
Authority: JP
Inventors: 正幸中本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 2003-06-30
Anticipated expiration: 2017-09-12
Also published as: JPH10149760A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電界放出型冷陰極装
置、その製造方法、並びに同冷陰極装置を用いた真空マ
イクロ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体加工技術を利用した電界放出型冷
陰極装置の開発が近年活発に行なわれている。その代表
的な例としては、スピント（Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ）ら
が、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓ
ｉｃｓ，Ｖｏｌ．４７，５２４８（１９７６）に記載し
たものが知られている。この電界放出型冷陰極装置は、
Ｓｉ単結晶基板上にＳｉＯ₂ 層とゲート電極層を形成し
た後、直径約１．５μｍ程度の穴を更に形成し、この穴
の中に、電界放出を行なう円錐上のエミッタを蒸着法に
より作製したものである。この具体的な製造方法を図１
７（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。

【０００３】先ず、Ｓｉ単結晶基板１上に絶縁層として
ＳｉＯ₂ 層２をＣＶＤ等の堆積法により形成する。次
に、その上にゲート電極層となるＭｏ層３及び犠牲層と
して使用されるＡｌ層４をスパッタリング法等で形成す
る。次に、エッチングにより直径約１．５μｍ程度の穴
５を層２、３、４に形成する（図１７（ａ））。

【０００４】次に、この穴５の中に、電界放出を行なう
ための円錐形状のエミッタ７を蒸着法により作製する
（図１７（ｂ））。このエミッタ７の形成は、エミッタ
の材料となる金属、例えばＭｏを、回転した状態の基板
１に対して垂直方向から真空蒸着することにより行う。
この際、穴５の開口に相当するピンホール径は、Ａｌ層
４上にＭｏ層６が堆積するにつれて減少し、最終的には
０となる。このため、ピンホールを通して堆積する穴５
内のエミッタ７も、その径がしだいに減少し、円錐形状
となる。Ａｌ層４上に堆積した余分のＭｏ層６は後に除
去する（図１７（ｃ））。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の製造方
法及びその方法により作製された電界放出型冷陰極装置
においては以下に述べるような問題点がある。

【０００６】先ず、回転蒸着法により、穴５の開口に相
当するピンホールの直径が少しずつ小さくなることを利
用してエミッタを形成しているため、エミッタ高さ、先
端部の形状などがばらつき、電界放出の均一性が悪くな
る。また、形状の再現性や歩留まりが悪いため、特性の
揃った多数の電界放出型冷陰極装置を同一基板上に作製
しようとする場合には、生産コストが非常に高くなる。

【０００７】また、電界放出効率を向上させるのに必要
なエミッタ先端部の鋭さが欠けるため、駆動電圧が高く
なり、電界放出効率の低下、消費電力の増大等の問題が
生じる。高い駆動電圧を用いた場合、この電圧によりイ
オン化した残留ガスの影響をうけてエミッタ先端部の形
状が変化しやすく、信頼性や寿命等の点でも問題が生じ
る。

【０００８】また、ＳｉＯ₂ 絶縁層をＣＶＤ法により厚
く形成しているため、電界放出の効率を大きく左右する
ゲート−エミッタ間の距離が正確に制御できず、電界放
出の均一性が良好でなく、ばらつきが発生する。また、
ゲート−エミッタ間距離が小さい方がより低電圧で素子
を駆動させることができるが、制御よくゲートとエミッ
タとを近接させることが困難である。

【０００９】また、製造方法の性質上、エミッタ基底部
長さに対するエミッタ高さの割合、即ち、アスペクト比
を２以上にすることが困難である。エミッタのアスペク
ト比は、高い方がエミッタ先端部に電界が集中するた
め、駆動電圧の低下、消費電力の低下等に大幅な効果が
ある。エミッタのアスペクト比を高くできない一つの理
由は、上述の如く、エミッタ高さをコントロールする
際、開口部が次第にふさがっていくことを利用している
ことにある。また、別の理由は、エミッタ基底部長さが
ステッパ露光などにも用いられるマスク径とほぼ同じ長
さになるため、ステッパ露光限界より小さな基底部長さ
を作製することができないことにある。このステッパ露
光限界はまた、エミッタ基底部長さに制限を加えるた
め、エミッタを高集積化する上で別の問題を引起こして
いる。

【００１０】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたもので、電界放出特性が均一で且つ低電圧駆動
が可能で電界放出効率も高い電界放出型冷陰極装置及び
その製造方法を提供することを目的とする。

【００１１】本発明はまた、高集積化が容易で、生産性
に富み、且つ同一形状の尖鋭なエミッタを多数形成可能
な電界放出型冷陰極装置及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１２】本発明はまた、上述のような優れた特性を
有する電界放出型冷陰極装置を用いた真空マイクロ装置
を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の視点は、
電界放出型冷陰極装置において、支持部材と、前記支持
部材上に配設された電子を放出するためのエミッタと、
を具備し、前記エミッタがフラーレンまたはカーボンナ
ノチューブを具備することを特徴とする。

【００１４】本発明の第２の視点は、第１の視点の電界
放出型冷陰極装置において、前記エミッタが複数のフラ
ーレンまたはカーボンナノチューブを具備することを特
徴とする。

【００１５】本発明の第３の視点は、第１または第２の
視点の電界放出型冷陰極装置において、前記支持部材上
に配設されたカソード配線層を具備し、前記エミッタが
前記カソード配線層上に配設されることを特徴とする。

【００１６】本発明の第４の視点は、第３の視点の電界
放出型冷陰極装置において、前記カソード配線層がＭ
ｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕからなる群から選択さ
れた材料から基本的に形成されることを特徴とする。

【００１７】本発明の第５の視点は、第１乃至第４のい
ずれかの視点の電界放出型冷陰極装置において、前記エ
ミッタが、前記支持部材に支持された導電性凸部を具備
し、前記フラーレンまたはカーボンナノチューブが前記
導電性凸部の先端部に支持されることを特徴とする。

【００１８】本発明の第６の視点は、第５の視点の電界
放出型冷陰極装置において、前記フラーレンまたはカー
ボンナノチューブが部分的に前記導電性凸部に埋設され
ることを特徴とする。

【００１９】本発明の第７の視点は、第５または第６の
視点の電界放出型冷陰極装置において、前記導電性凸部
がＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、ＬａＢ₆、Ａｌ
Ｎ、ＧａＮ、グラファイト、ダイヤモンドからなる群か
ら選択された材料から基本的に形成されることを特徴と
する。

【００２０】本発明の第８の視点は、第１乃至第７のい
ずれかの視点の電界放出型冷陰極装置において、前記エ
ミッタに対して間隔をおいて対向するゲート電極を具備
することを特徴とする。

【００２１】本発明の第９の視点は、第１乃至第８のい
ずれかの視点の電界放出型冷陰極装置において、前記支
持部材が合成樹脂から基本的に形成されることを特徴と
する。

【００２２】本発明の第１０の視点は、第１乃至第９の
いずれかの視点の電界放出型冷陰極装置において、前記
カーボンナノチューブが、周期が０．４２６ｎｍまたは
０．７３８ｎｍの倍数の炭素の６員環の連なりから基本
的に構成されることを特徴とする。

【００２３】本発明の第１１の視点は、第１乃至第１０
のいずれかの視点の電界放出型冷陰極装置において、前
記カーボンナノチューブの直径が３０ｎｍ以下であるこ
とを特徴とする。

【００２４】本発明の第１２の視点は、第１乃至第１１
のいずれかの視点の電界放出型冷陰極装置において、前
記カーボンナノチューブの端部が炭素の５員環、６員
環、７員環を含むグラファイトシートにより閉じられて
いることを特徴とする。

【００２５】本発明の第１３の視点は、第１乃至第１２
のいずれかの視点の電界放出型冷陰極装置において、前
記エミッタを形成する前記カーボンナノチューブの底部
直径に対する高さの比を表すアスペクト比が、３以上で
１×１０⁶以下であることを特徴とする。

【００２６】本発明の第１４の視点は、第１３の視点の
電界放出型冷陰極装置において、前記アスペクト比が、
３以上で１×１０³以下であることを特徴とする。

【００２７】本発明の第１５の視点は、第１乃至第１４
のいずれかの視点の電界放出型冷陰極装置において、前
記カーボンナノチューブ内に配設された、電子を放出す
ることのできる導電性充填層を具備することを特徴とす
る。

【００２８】本発明の第１６の視点は、第１５の視点の
電界放出型冷陰極装置において、前記充填層がＭｏ、Ｔ
ａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、ＬａＢ₆、ＡｌＮ、Ｇａ
Ｎ、グラファイト、ダイヤモンドからなる群から選択さ
れた材料から基本的に形成されることを特徴とする。

【００２９】本発明の第１７の視点は、真空マイクロ装
置において、支持部材と、前記支持部材上に配設された
電子を放出するためのエミッタと、前記エミッタがフラ
ーレンまたはカーボンナノチューブを具備することと、
前記支持部材と協働して前記エミッタを包囲する真空放
電空間を形成する包囲部材と、前記エミッタに対して間
隔をおいて配設された引出し電極と、前記エミッタと前
記引出し電極との電位差により前記エミッタから電子が
放出されることと、を具備することを特徴とする。

【００３０】本発明の第１８の視点は、第１７の視点の
真空マイクロ装置において、前記引出し電極が前記支持
部材に支持されたゲート電極からなることを特徴とす
る。

【００３１】本発明の第１９の視点は、第１８の視点の
真空マイクロ装置において、前記エミッタと対向する位
置で前記包囲部材上にアノード電極が配設されることを
特徴とする。

【００３２】本発明の第２０の視点は、第１７の視点の
真空マイクロ装置において、前記引出し電極が前記エミ
ッタと対向する位置で前記包囲部材上に配設されたアノ
ード電極からなることを特徴とする。

【００３３】本発明の第２１の視点は、支持部材と、前
記支持部材上に配設された電子を放出するための複数の
エミッタと、を具備する電界放出型冷陰極装置の製造方
法において、収集部材を真空処理室内に配置する工程
と、前記真空処理室内を不活性ガスの真空雰囲気に設定
する工程と、前記真空処理室内で炭素を昇華させる工程
と、前記収集部材上に前記炭素を析出させることにより
カーボンナノチューブを形成する工程と、前記カーボン
ナノチューブを前記収集部材から前記支持部材上に移
し、前記カーボンナノチューブを具備する前記エミッタ
を形成する工程と、を具備することを特徴とする。

【００３４】本発明の第２２の視点は、支持部材と、前
記支持部材上に配設された電子を放出するための複数の
エミッタと、を具備する電界放出型冷陰極装置の製造方
法において、前記支持部材を真空処理室内に配置する工
程と、前記真空処理室内を不活性ガスの真空雰囲気に設
定する工程と、前記真空処理室内で炭素を昇華させる工
程と、前記支持部材上に前記炭素をカーボンナノチュー
ブとして析出させることにより、前記カーボンナノチュ
ーブを具備する前記エミッタを形成する工程と、を具備
することを特徴とする。

【００３５】本発明の第２３の視点は、第２１または第
２２の視点の製造方法において、前記炭素の昇華が、抵
抗加熱、電子ビーム、アーク放電、レーザ光照射からな
る群から選択された手段により行われることを特徴とす
る。

【００３６】本発明の第２４の視点は、第２１乃至第２
３のいずれかの視点の製造方法において、電子を放出す
ることのできる導電性充填層を前記カーボンナノチュー
ブ内に形成する工程を具備することを特徴とする。

【００３７】本発明の第２５の視点は、支持部材と、前
記支持部材上に配設された電子を放出するためのエミッ
タと、を具備する電界放出型冷陰極装置の製造方法にお
いて、モールド部材に底部の尖った凹部を形成する工程
と、前記凹部内にフラーレンまたはカーボンナノチュー
ブを配置する工程と、前記凹部内に導電性材料を充填し
て導電性凸部を形成する工程と、前記導電性凸部を挟む
ように前記モールド部材に前記支持部材を接合する工程
と、前記モールド部材を除去することにより、前記支持
部材上で前記導電性凸部及び前記フラーレンまたはカー
ボンナノチューブを具備する前記エミッタを露出させる
工程と、を具備することを特徴とする。

【００３８】本発明の第２６の視点は、第２５の視点の
製造方法において、前記凹部内に前記導電性材料を充填
する前に、前記凹部の内面を絶縁層で被覆する工程を具
備することを特徴とする。

【００３９】本発明の第２７の視点は、第２１乃至第２
６のいずれかの視点の製造方法において、前記エミッタ
に対向し且つ前記支持部材上に絶縁層を介して支持され
るように、ゲート電極を配設する工程を具備することを
特徴とする。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下に図示の実施の形態を参照し
て本発明を詳述する。なお、以下の実施の形態におい
て、対応する部材には同じ符号を付し、重複する説明は
必要に応じてのみ行なう。

【００４１】図１（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態
に係る電界放出型冷陰極装置を製造工程順に示す概略断
面図である。

【００４２】図１（ｂ）図示の如く、この実施の形態に
係る電界放出型冷陰極装置は、支持基板１２と、支持基
板１２上に配設された電子を放出するためのエミッタ１
４とを有する。エミッタ１４は、電界放出型冷陰極装置
の用途に応じて、複数若しくは単数が支持基板１２上に
配設される。

【００４３】支持基板１２は、これ自体がカソード配線
層を兼ねる場合は、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃ
ｕ、カーボンや、不純物をドープしたＳｉ等の半導体等
の導電性材料から基本的に形成される。また、カソード
配線層を別途設ける場合は、支持基板１２は、ガラス、
石英、合成樹脂等の絶縁性材料や、Ｓｉ等の半導体材料
から基本的に形成される。

【００４４】エミッタ１４の夫々は、基本的に炭素の６
員環の連なりから構成される複数のカーボンナノチュー
ブ１６から形成される。通常、カーボンナノチューブ１
６は、図１（ａ）、（ｂ）示の如く、倒木が重なり合う
ような状態で支持基板１２上に存在する。しかし、以下
の図では、図を簡易にするため、カーボンナノチューブ
１６が概ね垂直に立ち上がった状態で示す。各エミッタ
１４が１つのカーボンナノチューブ１６からなるように
することもできる。全カーボンナノチューブ１６の７０
％以上は３０ｎｍ以下の直径を有する。エミッタ１４を
形成するカーボンナノチューブ１６の底部直径に対する
高さの比を表すアスペクト比は、３以上且つ１×１０⁶
以下で、望ましくは、３以上且つ１×１０³以下に設定
される。

【００４５】カーボンナノチューブ１６は、図２（ａ）
図示のような基本的に炭素の６員環の連なりから構成さ
れる分子構造のグラファイトシート１８を、図２（ｂ）
図示のように円筒状に巻いた形に形成される。グラファ
イトシート１８は、６員環の周期Ｂ方向（周期が０．４
２６ｎｍ）に巻くと金属性を示す。グラファイトシート
１８はまた、６員環の周期Ａ方向（周期が０．２４６ｎ
ｍ）でも、（３、０）、（６、０）、（９、０）等、３
×（１、０）の格子点を結ぶように巻くと禁制帯幅の狭
い半導体性を示す。従って、カーボンナノチューブ１６
における炭素の６員環の周期は、周期Ｂ方向の０．４２
６ｎｍまたは周期Ａ方向０．２４６ｎｍ×３＝０．７３
８ｎｍの倍数となる。

【００４６】なお、カーボンナノチューブ１６の端部
は、図２（ｂ）図示のように閉鎖される場合と、閉鎖さ
れずに円筒形のままで開放される場合とがある。カーボ
ンナノチューブ１６の端部を閉鎖するグラファイトシー
ト２２には、炭素の６員環の連なりの中に炭素の５員環
及び／または７員環が介在した構造となる。例えば、図
２（ｂ）図示の例では、部位２４に炭素の５員環が介在
している。これは、炭素の６員環だけでは、端部の閉鎖
形状を形成することができないためである。

【００４７】次に、この実施の形態に係る電界放出型冷
陰極装置の製造方法の２つの例について説明する。

【００４８】製造方法の第１例においては、先ず、直径
６．５ｎｍ〜２０ｎｍのグラファイト電極を一対準備
し、これらをアノード電極（炭素源）及びカソード電極
（収集部材）として、真空処理室内に配設する。次に、
真空処理室内を排気すると共に、Ｈｅ、Ａｒ等の不活性
ガスを真空処理室内に導入し、真空処理室内を２０Ｔｏ
ｒｒ〜５００Ｔｏｒｒ、望ましくは約５００Ｔｏｒｒの
不活性ガス雰囲気に設定する。

【００４９】次に、直流電圧１０Ｖ〜２０Ｖをアノード
電極とカソード電極との間に印加し、電流約１００Ａと
なるようにアーク放電を発生させる。この様にして、ア
ノード電極の炭素を昇華させる一方、カソード電極上に
炭素を析出させてカーボンナノチューブを形成する。こ
の際、炭素の析出条件を、カーボンナノチューブが基本
的に炭素の６員環の連なりから構成され、６員環の周期
が０．４２６ｎｍまたは０．７３８ｎｍの倍数となるよ
うに調整する。

【００５０】この様に、ガス圧かアーク放電を生じるた
めの電圧を調整することにより、カーボンナノチューブ
は直径３０ｎｍ以下とすることができる。また、プロセ
ス条件等により、形成されるカーボンナノチューブの形
状もばらつくが、直径３０ｎｍ以下のものが全体の７０
％以上を占めていれば、特性上特に問題は生じなかっ
た。

【００５１】次に、カソード電極をエタノール中に浸漬
し、超音波を印加することにより、カソード電極からカ
ーボンナノチューブを分離し、エタノール中に分散させ
る。次に、セラミックフィルタ或いはろ紙によりエタノ
ールからカーボンナノチューブを取出し、乾燥させる。
なお、カーボンナノチューブを分離後、使用条件に適合
するように精製及び分級処理してもよい。

【００５２】次に、カーボンナノチューブを塗布、圧
着、埋込み等の方法で合成樹脂製の支持基板１２上に供
給し、カーボンナノチューブ層２６を形成する（図１
（ａ））。ここで、支持基板の材料としては、ポリメチ
ルメタクレート、テフロン、ポリテトラフルオロエチレ
ン、ポリカーボネート、非晶質ポリオレフィン、アクリ
ル系樹脂、エポキシ系樹脂を用いることができる。

【００５３】次に、レジストを塗布して、エミッタ１４
のレイアウトに従って、カーボンナノチューブ層２６を
リソグラフィ技術でパターニングする。この様にして、
複数のカーボンナノチューブ１６からなるエミッタ１４
を支持基板１２上に形成する（図１（ｂ））。

【００５４】なお、上述の製造方法の第１例において、
一対のグラファイト電極間に印加する電力は直流ではな
く交流とすることもできる。更に、カーボンナノチュー
ブをカソード電極（収集部材）から分離させず、カソー
ド電極（収集部材）と共に電界放出型冷陰極装置に用い
ることもできる。

【００５５】製造方法の第２例においては、先ず、直径
６．５ｎｍ〜２０ｎｍのグラファイト棒を真空処理室内
に配設する。また、支持基板１２を直接真空処理室内に
配置する。次に、真空処理室内を排気すると共に、Ｈ
ｅ、Ａｒ等の不活性ガスを真空処理室内に導入し、真空
処理室内を２０Ｔｏｒｒ〜５００Ｔｏｒｒ、望ましくは
約５００Ｔｏｒｒの不活性ガス雰囲気に設定する。

【００５６】次に、グラファイト棒に通電し、抵抗自己
加熱によりグラファイト棒を加熱する。この様にして、
グラファイト棒の炭素を昇華させる一方、支持基板１２
上に炭素を析出させてカーボンナノチューブ層２６を形
成する（図１（ａ））。この際、炭素の析出条件を、カ
ーボンナノチューブが基本的に炭素の６員環の連なりか
ら構成され、６員環の周期が０．４２６ｎｍまたは０．
７３８ｎｍの倍数となるように調整する。

【００５７】この様に、ガス圧かアーク放電を生じるた
めの電圧を調整することにより、カーボンナノチューブ
は直径３０ｎｍ以下とすることができる。また、プロセ
ス条件等により、形成されるカーボンナノチューブの形
状もばらつくが、直径３０ｎｍ以下のものが全体の７０
％以上を占めていれば、特性上特に問題は生じなかっ
た。

【００５８】次に、レジストを塗布して、エミッタ１４
のレイアウトに従って、カーボンナノチューブ層２６を
リソグラフィ技術でパターニングする。この様にして、
複数のカーボンナノチューブ１６からなるエミッタ１４
を支持基板１２上に形成する（図１（ｂ））。

【００５９】なお、真空処理室内で炭素を昇華させる手
段としては、上述の製造方法の第１及び第２例で示した
アーク放電、抵抗加熱の他、電子ビーム、レーザ光照射
等を用いることができる。

【００６０】図３（ａ）、（ｂ）は本発明の別の実施の
形態に係る電界放出型冷陰極装置を製造工程順に示す概
略断面図である。

【００６１】図３（ｂ）図示の如く、この実施の形態に
係る電界放出型冷陰極装置は、エミッタ１４に電子を供
給するためのカソード配線層２８が支持基板１２上に配
設されている点で、図１（ｂ）図示の電界放出型冷陰極
装置と異なる。カソード配線層２８は、Ｍｏ、Ｔａ、
Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等の導電性材料から基本的に形成
される。また、支持基板１２は、ガラス、石英、合成樹
脂等の絶縁性材料や、Ｓｉ等の半導体材料から基本的に
形成される。

【００６２】図３（ｂ）図示の電界放出型冷陰極装置
は、図１（ｂ）図示の電界放出型冷陰極装置と概ね同じ
方法で製造することができる。但し、図１を参照して説
明した製造方法の第１及び第２例に対して、次のような
変更を加える。

【００６３】先ず、アノード電極（炭素源）及びカソー
ド電極（収集部材）を用いる第１例においては、カソー
ド電極（収集部材）から分離されたカーボンナノチュー
ブを支持基板１２上に供給する前に、支持基板１２上に
パターニングされたカソード配線層２８を形成する。そ
して、カーボンナノチューブを前述の如く支持基板１２
上に供給し、支持基板１２及びカソード配線層２８上に
カーボンナノチューブ層２６を形成する（図３
（ａ））。次に、エミッタ１４のレイアウトに従って、
カーボンナノチューブ層２６をリソグラフィ技術でパタ
ーニングし、複数のカーボンナノチューブ１６からなる
エミッタ１４をカソード配線層２８上に形成する（図３
（ｂ））。

【００６４】また、カーボンナノチューブを直接支持基
板１２上に析出させる第２例においては、支持基板１２
を真空処理室内に入れる前に、支持基板１２上にパター
ニングされたカソード配線層２８を形成する。そして、
カソード配線層２８の付いた支持基板１２を真空処理室
内に配置し、前述の如く操作を行い、支持基板１２及び
カソード配線層２８上に炭素を析出させ、カーボンナノ
チューブ層２６を形成する（図３（ａ））。次に、エミ
ッタ１４のレイアウトに従って、カーボンナノチューブ
層２６をリソグラフィ技術でパターニングし、複数のカ
ーボンナノチューブ１６からなるエミッタ１４をカソー
ド配線層２８上に形成する（図３（ｂ））。

【００６５】図４（ａ）〜（ｃ）は本発明の更に別の実
施の形態に係る電界放出型冷陰極装置を製造工程順に示
す概略断面図である。

【００６６】図４（ｃ）図示の如く、この実施の形態に
係る電界放出型冷陰極装置は、カーボンナノチューブ１
６内に、電子を放出することのできる導電性充填層３２
が配設されている点で、図１（ｂ）図示の電界放出型冷
陰極装置と異なる。充填層３２はＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃ
ｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、ＬａＢ₆、ＡｌＮ、ＧａＮ、グラファ
イト、ダイヤモンド等の導電性材料から基本的に形成さ
れる。

【００６７】図４（ｃ）図示の電界放出型冷陰極装置
は、図１（ｂ）図示の電界放出型冷陰極装置と概ね同じ
方法で製造することができるが、次のような変更を加え
る。

【００６８】先ず、前述の如く、支持基板１２上にカー
ボンナノチューブ層２６を形成する（図４（ａ））。次
に、昇華した導電性材料を上方から堆積させるか、完成
した構造物全体を溶融した導電性材料中に浸漬させ、支
持基板１２上の全面に導電性材料層３４を形成する。こ
の際、カーボンナノチューブの主に先端部内にまで充填
層３２が形成されるようにする（図４（ｂ））。ここ
で、理論上は、チューブに吸込まれた導電性材料は、エ
ネルギー的に最も安定なチューブの中心に形成されやす
い。しかし、例えば、気体がチューブ内に存在する等の
種々の条件により、チューブの途中で導電性材料の吸込
みが止まってしまう場合もある。

【００６９】次に、エミッタ１４のレイアウトに従って
リソグラフィ技術でパターニングを行い、支持基板１２
と直接接触する導電性材料層３４の部分を除去すると共
に、複数のカーボンナノチューブ１６からなるエミッタ
１４を支持基板１２上に形成する（図４（ｃ））。な
お、カーボンナノチューブ１６は導電性材料層３４によ
り支持基板１２上にしっかりと固定されるため、図１
（ｂ）図示の構造に比べて取扱いが容易で且つ信頼性の
高い構造を提供することができる。

【００７０】図５（ａ）〜（ｃ）は本発明の更に別の実
施の形態に係る電界放出型冷陰極装置を製造工程順に示
す概略断面図である。

【００７１】図５（ｃ）図示の如く、この実施の形態に
係る電界放出型冷陰極装置は、カーボンナノチューブ１
６内に、電子を放出することのできる導電性充填層３２
が配設されている点で、図３（ｂ）図示の電界放出型冷
陰極装置と異なる。充填層３２は図４（ａ）〜（ｃ）を
参照して述べた材料から基本的に形成される。なお、充
填層３２はカソード配線層２８と基本的に同じ材料から
形成することもできる。

【００７２】図５（ｃ）図示の電界放出型冷陰極装置
は、図３（ｂ）図示の電界放出型冷陰極装置と概ね同じ
方法で製造することができるが、次のような変更を加え
る。

【００７３】先ず、前述の如く、支持基板１２及びカソ
ード配線層２８上にカーボンナノチューブ層２６を形成
する（図５（ａ））。次に、昇華した導電性材料を上方
から堆積させるか、完成した構造物全体を溶融した導電
性材料中に浸漬させ、支持基板１２上の全面に導電性材
料層３４を形成する。この際、カーボンナノチューブの
主に先端部内に充填層３２が形成される（図５
（ｂ））。次に、エミッタ１４のレイアウトに従って、
リソグラフィ技術でパターニングを行い、支持基板１２
と直接接触する導電性材料層３４の部分を除去すると共
に、複数のカーボンナノチューブ１６からなるエミッタ
１４をカソード配線層２８上に形成する（図５
（ｃ））。

【００７４】なお、図４（ａ）〜（ｃ）及び図５（ａ）
〜（ｃ）図示の実施の形態において、支持基板１２の表
面と充填層３２の導電性材料との剥離性が良好となるよ
うに、予め材料選択或いは支持基板１２の表面を処理し
ておくことができる。また、充填層３２を、カーボンナ
ノチューブを支持基板１２上に供給する前の調製時に形
成してもよい。この場合、例えば、収集部材に付いた状
態のカーボンナノチューブに対して、昇華した導電性材
料を上方から堆積させるか、或いは、収集部材に付いた
状態或いは分離された状態のカーボンナノチューブを溶
融した導電性材料中に浸漬させることにより、充填層３
２をカーボンナノチューブ内に形成することができる。

【００７５】カソード配線層２８及び充填層３２を有す
る図５（ｃ）図示の構造は、図６（ａ）〜（ｄ）に示す
ような製造方法によっても形成することができる。図６
（ａ）〜（ｄ）図示の製造方法は、アノード電極（炭素
源）及びカソード電極（収集部材）を用いる製造方法の
第１例を応用したもので、次のように変更する。

【００７６】先ず、前述の如く、カソード電極（収集部
材）４２上に炭素を析出させてカーボンナノチューブ層
２６を形成する（図６（ａ））。次に、カソード電極
（収集部材）４２に付いた状態のままで、カーボンナノ
チューブ層２６を、溶融状態の合成樹脂層４４に押付け
る（図６（ｂ））。ここで、合成樹脂層４４の材料とし
ては、ポリメチルメタクレート、テフロン、ポリテトラ
フルオロエチレン、ポリカーボネート、非晶質ポリオレ
フィン、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂を用いること
ができる。

【００７７】合成樹脂層４４を乾燥して支持基板１２と
した後、カーボンナノチューブ層２６からカソード電極
（収集部材）４２を取外す。即ち、カーボンナノチュー
ブ層２６をカソード電極（収集部材）４２から支持基板
１２上に転写する。

【００７８】次に、昇華した導電性材料を上方から堆積
させるか、完成した構造物全体を溶融した導電性材料中
に浸漬させ、カソード配線層となる導電性材料層４６を
支持基板１２上に形成する。この際、カーボンナノチュ
ーブの主に先端部内にまで充填層３２が形成される（図
６（ｃ））。次に、レジストを塗布して、エミッタ１４
のレイアウトに従って、カーボンナノチューブ層２６及
び導電性材料層４６をリソグラフィ技術でパターニング
する。この様にして、複数のカーボンナノチューブ１６
からなるエミッタ１４をカソード配線層２８上に形成す
る（図６（ｄ））。

【００７９】上述の如く、図６（ａ）〜（ｄ）図示の製
造方法によれば、充填層３２とカソード配線層２８とは
同じ材料から形成されることとなる。

【００８０】図７（ａ）、（ｂ）は、夫々、本発明の更
に別の実施の形態に係る電界放出型冷陰極装置を示す概
略断面図である。これらの実施の形態は、カーボンナノ
チューブに代え、フラーレン１７を用いてエミッタ１４
を形成したことを特徴とする。図７（ａ）、（ｂ）は、
夫々図１（ｂ）及び図３（ｂ）図示の構造と対応する。

【００８１】フラーレンはカーボンナノチューブと同じ
く炭素の同素体で、基本的には同質のものである。特異
形状の極長のフラーレンがカーボンナノチューブとな
る。フラーレンの基本型は、図２（ｃ）図示の如く、炭
素の６員環と５員環とで構成されたＣ₆₀であり、その直
径は約０．７ｎｍである。Ｃ₆₀は、正２０面体の１２個
の５角錐になっている頂点を全て切落とすことによって
できる切頭２０面体（結果的に３２面体）の頂点の全て
にｓｐ²軌道混成の炭素原子を置いた構造を有する。

【００８２】Ｃ₆₀以外に、炭素数が６０より多い高次フ
ラーレン、例えばＣ₇₀、Ｃ₇₆、Ｃ₈₂、Ｃ₈₄、Ｃ₉₀、
Ｃ₉₆、…、Ｃ₂₄₀、Ｃ₅₄₀、Ｃ₇₂₀ 等が実質的に無限に
存在する。但し、高次フラーレンは、オイラーの公式、
Ｆ＋Ｖ＝Ｅ＋２（Ｆ：多角形の数、Ｖ：頂点の数、Ｅ：
多角形の辺の数）、及びｐ＝ｓ＋１２（ｐ：５員環の
数、ｓ：７員環の数）を満たし、且つ炭素原子として化
学的に安定であることを条件として存在する。

【００８３】また、フラーレンの内部は中空であるた
め、高次フラーレンの中に低次フラーレンが玉ねぎのよ
うに何層もつまったオニオン型のフラーレンが存在し、
これらはスーパーフラーレンと呼ばれる。スーパーフラ
ーレンにおける各層間の距離は０．３４１ｎｍとなる。
例えば、Ｃ₅₄₀の中にＣ₂₄₀が入り、更にその中にＣ₆₀
が入ったフラーレンはＣ₆₀＠Ｃ₂₄₀＠Ｃ₅₄₀で表され
る。ここで記号「＠」は、その前に記載された分子或い
は原子が取込まれた内包フラーレンであることを示す。

【００８４】また、フラーレンは、その中空の内部に金
属を取込むことができる。このような金属内包フラーレ
ンの例は、Ｌａ＠Ｃ₆₀、Ｌａ＠Ｃ₇₆、Ｌａ＠Ｃ₈₄、Ｌａ
₂＠Ｃ₈₀、Ｙ₂＠Ｃ₈₄、Ｓｃ₃＠Ｃ₈₂等である。更に、
フラーレンの骨格部分にＮ、Ｂ、Ｓｉ等の炭素以外の元
素を組込んだヘテロフラーレンも研究されている。

【００８５】フラーレンは、グラファイトに対してレー
ザー照射、アーク放電、抵抗加熱等を施すことにより、
炭素を気化させ、気化炭素をヘリウムガス中を通しなが
ら、冷却、反応及び凝集させ、これを収集部材で収集す
ることにより調製することができる。

【００８６】図７（ａ）、（ｂ）図示の電界放出型冷陰
極装置は、夫々図１（ａ）、（ｂ）及び図３（ａ）、
（ｂ）を参照して述べた製造方法を応用して製造するこ
とができる。

【００８７】即ち、前述の製造方法の第１例を応用する
場合は、先ず、フラーレン１７を予め別途調製及び収集
し、これを塗布、圧着、埋め込み等の方法で支持基板１
２上或いは支持基板１２及びカソード配線層２８上に供
給し、フラーレン層を形成する。また、前述の製造方法
の第２例を応用する場合は、先ず、支持基板１２或いは
カソード配線層２８の付いた支持基板１２を収集部材と
して使用し、この上にフラーレン層を形成する。次に、
レジストを塗布して、エミッタ１４のレイアウトに従っ
て、フラーレン層をリソグラフィ技術でパターニングす
る。これにより、複数のフラーレン１７からなるエミッ
タ１４を支持基板１４或いはカソード配線層２８上に形
成することができる。

【００８８】また、図４（ａ）〜（ｃ）及び図５（ａ）
〜（ｃ）図示の如く、導電性材料層３４を用いると、フ
ラーレン１７を支持基板１４或いはカソード配線層２８
上にしっかりと固定することができる。また、図６
（ａ）〜（ｄ）図示の製造方法を応用すれば、フラレー
ン１７を収集部材から支持基板１４上に転写することが
できる。

【００８９】図８（ａ）〜（ｃ）は本発明の更に別の実
施の形態に係る電界放出型冷陰極装置を製造工程順に示
す概略断面図である。

【００９０】図８（ｃ）図示の如く、この実施の形態に
係る電界放出型冷陰極装置は、図３（ｂ）図示の構造に
加えて、支持基板１２上に、絶縁膜５２を介して配設さ
れた、Ｗ等の導電性材料からなる引出し電極即ちゲート
電極５４を有する。ゲート電極５４は、カーボンナノチ
ューブ１６からなるエミッタ１４に対して間隔をおいて
対向する。

【００９１】図８（ｃ）図示の電界放出型冷陰極装置は
次のような方法により製造することができる。

【００９２】先ず、支持基板１２上にパターニングされ
たカソード配線層２８を形成する。前述の如く、カソー
ド配線層２８は、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等
の導電性材料から基本的に形成される。また、支持基板
１２は、ガラス、石英、合成樹脂等の絶縁性材料や、Ｓ
ｉ等の半導体材料から基本的に形成される。

【００９３】次に、支持基板１２及びカソード配線層２
８上にＳｉＯ₂、ＳｉＮ等からなる絶縁層５２を形成
し、更にその上にＷ等の導電性材料からなるゲート電極
層５６を形成する（図８（ａ））。絶縁層５２は、電子
ビーム蒸着、スパッタリング法、或いはＣＶＤ法により
形成することができる。

【００９４】次に、リソグラフィ技術で絶縁層５２及び
ゲート電極層５６をパターニングし、ゲート電極５４及
びゲート配線を形成する。この際、ゲート電極５４で包
囲された凹部５８内にカソード配線層２８が露出した状
態とする（図８（ｂ））。

【００９５】次に、被処理体の主面上全体に、即ち凹部
５８内だけでなく凹部５８外にもカーボンナノチューブ
層を形成する。カーボンナノチューブ層は、予め調製し
たカーボンナノチューブを塗布、印刷等により被処理体
上に付与することもできるし、被処理体を真空処理室内
に配置し、その上にカーボンナノチューブを直接析出さ
せることもできる。次に、リソグラフィ技術でカーボン
ナノチューブ層をパターニングし、カソード配線層２８
上のみにカーボンナノチューブ１６を残してエミッタ１
４を形成する（図８（ｃ））。

【００９６】なお、本実施の形態において、カーボンナ
ノチューブに代え、フラーレン１７を用いることができ
る。この場合、図８（ｄ）図示の如く、エミッタ１４が
フラーレン１７からなる点を除いて、その構造及び製造
方法の概要は図８（ａ）〜（ｃ）を参照して説明したも
のと同様となる。

【００９７】図９（ａ）〜（ｃ）は本発明の更に別の実
施の形態に係る電界放出型冷陰極装置を製造工程順に示
す概略断面図である。

【００９８】図９（ｃ）図示の如く、この実施の形態に
係る電界放出型冷陰極装置も、図８（ｃ）図示の電界放
出型冷陰極装置と同様に、支持基板１２上に、絶縁膜６
２を介して配設された、Ｗ等の導電性材料からなる引出
し電極即ちゲート電極５４を有する。しかし、本装置
は、エミッタ１４を形成するカーボンナノチューブ１６
が部分的に絶縁膜６２に埋め込まれ、しっかりと固定さ
れている点で、図８（ｃ）図示のそれと相違する。

【００９９】図９（ｃ）図示の電界放出型冷陰極装置は
次のような方法により製造することができる。

【０１００】先ず、支持基板１２上にパターニングされ
たカソード配線層２８を形成する。次に、支持基板１２
及びカソード配線層２８上にカーボンナノチューブ層を
形成する。カーボンナノチューブ層は、予め調製したカ
ーボンナノチューブを塗布、印刷等により被処理体上に
付与することもできるし、被処理体を真空処理室内に配
置し、その上にカーボンナノチューブを直接析出させる
こともできる。次に、リソグラフィ技術でカーボンナノ
チューブ層をパターニングし、カソード配線層２８上の
みにカーボンナノチューブ１６を残してエミッタ１４を
形成する（図９（ａ））。

【０１０１】次に、被処理体の主面上全体に、Ｓｉ
Ｏ₂、ＳｉＮ等からなる絶縁層６２を、エミッタ１４の
先端が露出する程度の厚さに形成する。絶縁層６２は、
電子ビーム蒸着、スパッタリング法、或いはＣＶＤ法に
より形成することができる。絶縁層６２の厚さは、成膜
時に制御することもできるし、成膜後に僅かにエッチバ
ックして調節することもできる。例えば絶縁層６２がＳ
ｉＯ₂からなる場合、このエッチングにはバッファード
弗酸を用いることができる。

【０１０２】次に、被処理体の主面上全体にレジスト層
６４を形成すると共に、ゲート電極５４を形成する部分
に対応して絶縁層６２が露出するようにレジスト層６４
をパターニングする（図９（ｂ））。次に、被処理体の
主面上全体にＷ等の導電性材料からなるゲート電極層を
形成する。次に、レジスト層６４をゲート電極層の不用
な部分と共にリフトオフにより除去することにより、絶
縁膜６２上に所定のパターンのゲート電極５４及びゲー
ト配線を残すことができる（図９（ｃ））。

【０１０３】なお、図９（ｂ）図示の工程において、絶
縁層６２をエミッタ１４の高さよりも厚く形成し、エミ
ッタ１４に対応する部分に凹部６６を形成してエミッタ
の先端を露出させることができる。これにより得られる
構造は、図９（ｄ）図示のようなものとなる。ゲート電
極５４はエミッタ１４の先端よりも上に位置し、これは
引出し電極として好ましい配置となる。

【０１０４】また、本実施の形態において、カーボンナ
ノチューブに代え、フラーレン１７を用いることができ
る。この場合、エミッタ１４がフラーレン１７からなる
点を除いて、その構造及び製造方法の概要は図９（ａ）
〜（ｄ）を参照して説明したものと同様となる。

【０１０５】図１０（ａ）は本発明の更に別の実施の形
態に係る真空マイクロ装置の一例である平板型画像表示
装置を示す断面図である。

【０１０６】図１０（ａ）図示の表示装置は、図８
（ｃ）図示の電界放出型冷陰極装置を利用して形成され
る。図１０（ａ）図示の如く、ゲート電極５４を構成す
る複数のゲートラインが紙面に平行な方向に配列され、
カソード配線層２８を構成する複数のカソードラインが
紙面に垂直な方向に配列される。各画素に対応して、複
数のエミッタ１４からなるエミッタ群がカソードライン
上に配設される。

【０１０７】ガラス製の支持基板１２と対向するように
ガラス製の対向基板７２が配設され、両基板１２、７２
間に真空放電空間７３が形成される。両基板１２、７２
間の間隔は、周辺のフレーム及びスペーサ７４により維
持される。支持基板１２と対向する対向基板７２の面上
には、透明な共通電極即ちアノード電極７６と、蛍光体
層７８とが配設される。

【０１０８】この平板型画像表示装置においては、ゲー
トラインとカソードラインとを介して各画素におけるゲ
ート電極５４とエミッタ１４との間の電圧を任意に設定
することにより、画素の点灯及び点滅を選択することが
できる。即ち、画素の選択は、いわゆるマトリックス駆
動により、例えば、ゲートラインを線順次に選択して所
定の電位を付与するのに同期して、カソードラインに選
択信号である所定の電位を付与することにより行なうこ
とができる。

【０１０９】ある１つのゲートラインとある１つのカソ
ードラインとが選択され、夫々所定の電位が付与された
時、そのゲートラインとカソードラインとの交点にある
エミッタ群のみが動作する。エミッタ群より放出された
電子は、アノード電極７６に印加された電圧により引か
れ、選択されたエミッタ群に対応した位置の蛍光体層７
８に達してこれを発光させる。

【０１１０】なお、図１０（ｂ）図示の如く、ゲート電
極５４を用いずに表示装置を構成することができる。図
１０（ｂ）図示の表示装置は、図３（ｂ）図示の電界放
出型冷陰極装置を利用して形成される。

【０１１１】この平板型画像表示装置においては、ゲー
トラインに代え、対向基板７２上の透明なアノード電極
８２を構成する複数のアノードラインが紙面に平行な方
向に配列される。従って、アノードラインとカソードラ
インとを介して各画素におけるアノード電極８２とエミ
ッタ１４との間の電圧を任意に設定することにより、画
素の点灯及び点滅を選択することができる。ある１つの
アノードラインとある１つのカソードラインとが選択さ
れ、夫々所定の電位が付与された時、そのアノードライ
ンとカソードラインとの交点にあるエミッタ群のみが動
作する。

【０１１２】なお、図１０（ａ）、（ｂ）図示の表示装
置は、夫々図８（ｃ）及び図３（ｂ）図示の電界放出型
冷陰極装置を利用して形成されるが、他の実施の形態、
例えばフラーレン１７からなるエミッタ１４を有する電
界放出型冷陰極装置を利用した場合でも、同様に表示装
置を形成することができる。また、これらの電界放出型
冷陰極装置を利用して、電力変換装置例えばパワースイ
ッチング装置のような、表示装置以外の真空マイクロ装
置を形成することもできる。

【０１１３】図１１（ａ）、（ｂ）は本発明の更に別の
実施の形態に係る電界放出型冷陰極装置を示す概略断面
図とその先端部を示す拡大概略図である。

【０１１４】この実施の形態に係る電界放出型冷陰極装
置は、支持基板１１２と、カソード配線層１１４を介し
て支持基板１１２上に配設された電子を放出するための
エミッタ１１５とを有する。各エミッタ１１５は、導電
性材料層１１６の一部からなる導電性凸部１１８と、導
電性凸部１１８の先端部に部分的に埋設された複数のカ
ーボンナノチューブ１２２とを有する。エミッタ１１５
は、電界放出型冷陰極装置の用途に応じて、複数（図で
は１つのみを示す）若しくは単数が支持基板１１２上に
配設される。

【０１１５】支持基板１１２はパイレックスガラス等の
絶縁性材料からなる。カソード配線層１１４はＩＴＯ層
等の導電性材料から基本的に形成される。導電性材料層
１１６及び導電性凸部１１８は、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃ
ｒ、Ｓｉ、Ｎｉ、ＬａＢ₆、ＡｌＮ、ＧａＮ、グラファ
イト、ダイヤモンド等の導電性材料から基本的に形成さ
れる。導電性材料層１１６を用いてカソード配線を形成
する場合は、カソード配線層１１４は省略され、支持基
板１１２上に直接導電性材料層１１６が形成されること
となる。

【０１１６】カーボンナノチューブ１２２は、図２
（ａ）、（ｂ）を参照して説明したように、基本的に炭
素の６員環の連なりチューブから構成される。カーボン
ナノチューブ１２２は長さが３ｎｍ〜１０μｍで、それ
らの７０％以上は３０ｎｍ以下の直径を有する。カーボ
ンナノチューブ１２２は導電性凸部１１８と電気的な接
続がとれるように支持されていればよく、必ずしも部分
的に埋設されている必要はない。なお、図示の例では導
電性凸部１１８上にカーボンナノチューブ１２２が複数
配設されているが、カーボンナノチューブ１２２は単数
としてもよい。

【０１１７】カーボンナノチューブ１２２は通常内部が
中空の円筒状に形成される。しかし、必要であれば、カ
ーボンナノチューブ１２２内、特にチューブの先端部内
に、図示の如く、導電性充填層１２４を配設することが
できる。充填層１２４は、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｓ
ｉ、Ｎｉ、ＬａＢ₆、ＡｌＮ、ＧａＮ、グラファイト、
ダイヤモンド等の電子を放出することのできる導電性材
料から基本的に形成される。充填層１２４は、導電性材
料層１１６及び導電性凸部１１８と同一材料から形成す
ることも別の材料から形成することもできる。

【０１１８】上記以外のカーボンナノチューブ１２２の
構造上の特徴及び調製方法は、前述のカーボンナノチュ
ーブ１６と同様である。

【０１１９】図１３（ａ）〜（ｆ）は図１１（ａ）図示
の電界放出型冷陰極装置の製造方法を工程順に示す図で
ある。

【０１２０】先ず、例えば単結晶からなる基板の片側表
面に底部を尖らせた凹部を形成する。このような凹部を
形成する方法として、次のようなＳｉ単結晶基板の異方
性エッチングを利用する方法を用いることができる。

【０１２１】先ず、モールド基板となるｐ型で（１０
０）結晶面方位のＳｉ単結晶基板１３１上に厚さ０．１
μｍのＳｉＯ₂熱酸化層１３２をドライ酸化法により形
成する。次に、熱酸化層１３２上にレジストをスピンコ
ート法により塗布し、レジスト層１３３を形成する（図
１３（ａ））。

【０１２２】次に、ステッパを用いて、マトリックス状
に配置された複数個の開口部１３４、例えば１μｍ角の
正方形開口部、が得られるように露光、現像等の処理を
施し、レジスト層１３３のパターニングを行う。そし
て、レジスト層１３３をマスクとして、ＮＨ₄Ｆ・ＨＦ
混合溶液により、ＳｉＯ₂膜のエッチングを行なう（図
１３（ｂ））。

【０１２３】レジスト層１３３の除去後、３０ｗｔ％の
ＫＯＨ水溶液を用いて異方性エッチングを行い、深さ
０．７１μｍの凹部１３５をＳｉ単結晶基板１３１上に
形成する。次に、ＮＨ₄Ｆ・ＨＦ混合溶液を用いて、Ｓ
ｉＯ₂酸化層を除去する。ＫＯＨ水溶液によりエッチン
グされることにより、凹部１３５は（１１１）面からな
る４斜面により規定される逆ピラミッドの形状となる。

【０１２４】なお、ここで、凹部１３５が形成されたＳ
ｉ単結晶基板１３１をウエット酸化法により熱酸化し、
凹部１３５を含む全面にＳｉＯ₂熱酸化絶縁層を形成し
てもよい。ＳｉＯ₂熱酸化絶縁層を形成することによ
り、凹部１３５を鋳型として形成される導電性凸部の先
端部をより尖鋭にすることができる。

【０１２５】次に、凹部１３５の底部にカーボンナノチ
ューブ１３６を配置する（図１３（ｃ））。ここでは、
例えば、前述の如く、アノード電極（炭素源）及びカソ
ード電極（収集部材）を用いる方法により析出させたカ
ーボンナノチューブを、エタノール中に浸漬して超音波
を印加することにより、カソード電極から分離すると共
にエタノール中に分散させる。次に、このエタノールの
懸濁液を凹部１３５内へ流し込んだ後、乾燥させれば、
凹部１３５の底部にカーボンナノチューブ１３６を配置
することができる。凹部１３５の外にカーボンナノチュ
ーブが付着しても、通常差支えないが、支障のある場合
には、パターニング後、有機溶剤で除去する。

【０１２６】凹部１３５の底部にカーボンナノチューブ
１３６を配置する別の方法として、基板１３１の近傍に
グラファイト電極を設け、凹部１３５の底部にカーボン
ナノチューブを析出させることも可能である。この場
合、カーボンナノチューブは、凹部の上側よりも底部に
析出しやすいので都合がよい。

【０１２７】なお、以下の図１３（ｄ）〜（ｆ）におい
ては、図を分かりやすくするため、カーボンナノチュー
ブ１３６の図示を省略してある。

【０１２８】次に、凹部１３５内を埋めるように、Ｓｉ
単結晶基板１３１上にＷ等の導電性材料からなる導電性
材料層１３７を堆積する。導電性材料層１３７は、凹部
１３５が埋められると共に、凹部１３５以外の部分も一
様の厚さ、例えば２μｍとなるように形成する。

【０１２９】この導電性材料層１３７の形成に際して、
複数のカーボンナノチューブが配設された底部には導電
性材料層１３７が完全に埋め込まれない。従って、基板
１３１から分離した後、導電性凸部の先端にカーボンナ
ノチューブが一部突出した状態が得られる。

【０１３０】更に、導電性材料層１３７上に、ＩＴＯ
層、Ｔａ等の導電性材料層１３８を同じくスパッタリン
グ法により、例えば厚さ１μｍとなるように形成する
（図１３（ｄ））。なお、この導電性材料層１３８は導
電性材料層１３７の材質によっては省くことができ、そ
の場合には導電性材料層１３７がカソード電極層を兼ね
ることとなる。

【０１３１】一方、支持基板となる、背面に厚さ０．４
μｍのＡｌ層１４２をコートしたパイレックスガラス基
板（厚さ１ｍｍ）１４１を用意する。そして、図１３
（ｅ）に示すように、ガラス基板１４１とＳｉ単結晶基
板１３１とを導電性材料層１３７、１３８を介するよう
に接着する。この接着には、例えば、静電接着法を適用
することができる。静電装着法は、冷陰極装置の軽量化
や薄型化に寄与する。

【０１３２】次に、ガラス基板１４１背面のＡｌ層１４
２を、ＨＮＯ₃・ＣＨ₃ＣＯＯＨ・ＨＦの混酸溶液で除
去する。また、エチレンジアミン・ピロカテコール・ピ
ラジンから成る水溶液（エチレンジアミン：ピロカテコ
ール：ピラジン：水＝７５ｃｃ：１２ｇ：３ｍｇ：１０
ｃｃ）でＳｉ単結晶基板１３１をエッチング除去する。
このようにして、図１３（ｆ）に示すように、カーボン
ナノチューブ１３６（図示せず）及び導電性凸部１４３
を露出させる。

【０１３３】もし、カーボンナノチューブ１３６内に充
填層１２４（図１１（ｂ）参照）を配設する場合は、導
電性凸部１４３を露出させた後、昇華した導電性材料を
カーボンナノチューブ１３６の上方から堆積させるか、
完成した構造物全体を溶融した導電性材料中に浸漬させ
ることにより形成することができる。代りに、カーボン
ナノチューブ１３６を凹部１３５内に配置する前の調製
時に、昇華した導電性材料をカーボンナノチューブ１３
６の上方から堆積させるか、カーボンナノチューブ１３
６を溶融した導電性材料中に浸漬させることにより形成
することもできる。

【０１３４】図１３（ａ）〜（ｆ）図示の製造方法によ
り製造された図１１（ａ）図示の電界放出型冷陰極装置
においては、エミッタ１１５の導電性凸部１１８（図１
３では符号１４３で指示）は、凹部１３５を鋳型として
形成されるため、その形状を引継いだピラミッド形状形
状となる。導電性凸部１１８の先端部には、複数のカー
ボンナノチューブ１２２（図１３（ａ）〜（ｆ）では符
号１３６で指示）が、部分的に導電性凸部１１８に埋設
された状態で支持される。

【０１３５】なお、カーボンナノチューブ１２２を導電
性凸部１１８の先端部から大きく突出させたい場合は、
凹部１３５内にカーボンナノチューブを配置後、凹部１
３５の表面にＳｉＯ₂層をスパッタリング法で堆積す
る。次に、導電層で裏打ちし、モールド基板除去後、Ｓ
ｉＯ₂層のみをＮＨ₄Ｆ・ＨＦ混合溶液により除去す
る。これにより、除去されたＳｉＯ₂層の分だけ、導電
性凸部１１８からのカーボンナノチューブ１２２の突出
長さは大きくなる。

【０１３６】図１２は本発明の更に別の実施の形態に係
る電界放出型冷陰極装置を示す概略断面図である。

【０１３７】図１２図示の実施の形態が図１１（ａ）図
示の実施の形態と異なる点は、導電性材料層１１６上
に、絶縁膜１２６を介して、Ｗ等の導電性材料からなる
ゲート電極１２８が配設されることにある。ゲート電極
１２８は、エミッタ１１５、即ち導電性凸部１１８及び
カーボンナノチューブ１２２対して間隔をおいて対向す
る。

【０１３８】図１４（ａ）〜（ｈ）は図１２図示の電界
放出型冷陰極装置の製造方法を工程順に示す図である。

【０１３９】先ず、図１３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参
照して述べたように、モールド基板となるｐ型で（１０
０）結晶面方位のＳｉ単結晶基板１３１に、（１１１）
面からなる４斜面により規定される逆ピラミッドの形状
の凹部１３５を形成する。次に、凹部１３５が形成され
たＳｉ単結晶基板１３１をウエット酸化法により熱酸化
し、凹部１３５を含む全面にＳｉＯ₂熱酸化絶縁層１５
１を形成する。この時、絶縁層１５１は、基板１３１の
（１１１）面、即ち、凹部１３５の側面において厚さ約
３０ｎｍ程度となるようにする。Ｓｉ単結晶の（１０
０）面における熱酸化層の厚さは（１１１）面における
厚さと±１０％以内で一致する。従って、（１００）面
での酸化絶縁層の厚さから（１１１）面での厚さを見積
もることができる。

【０１４０】絶縁層１５１形成後、前述のような方法
で、凹部１３５の底部にカーボンナノチューブ１３６を
配置する（図１４（ａ））。なお、以下の図１４（ｂ）
〜（ｈ）においては、図を分かりやすくするため、カー
ボンナノチューブ１３６の図示を省略してある。

【０１４１】次に、図１３（ｄ）の工程と同様に、凹部
１３５内を埋めるように、Ｓｉ単結晶基板１３１上にＷ
等の導電性材料からなる導電性材料層１３７を堆積す
る。更に、導電性材料層１３７上に、ＩＴＯ層等の導電
性材料層１３８を同じくスパッタリング法により形成す
る（図１４（ｂ））。

【０１４２】次に、図１３（ｅ）の工程と同様に、背面
に厚さ０．４μｍのＡｌ層１４２をコートしたパイレッ
クスガラス基板（厚さ１ｍｍ）１４１を、導電性材料層
１３７、１３８を介するようにＳｉ単結晶基板１３１に
接着する（図１４（ｃ））。

【０１４３】次に、図１３（ｆ）の工程と同様に、ガラ
ス基板１４１背面のＡｌ層１４２とＳｉ単結晶基板１３
１とをエッチング除去する。この様にして、ピラミッド
形状の導電性凸部１５２を覆うＳｉＯ₂熱酸化絶縁層１
５１を露出させる。

【０１４４】次に、ゲート電極となるＷ等の導電性材料
からなる導電性材料層１５３を、厚さ約０．５μｍとな
るように、スパッタリング法により絶縁層１５１上に形
成する。その後、フォトレジストの層１５３をスピンコ
ート法により約０．９μｍ程度、即ち僅かにピラミッド
の先端が隠れる程度の厚さに塗布する（図１４
（ｅ））。

【０１４５】更に、酸素プラズマによるドライエッチン
グを行い、ピラミッド先端部が０．７μｍほど現れるよ
うに、レジスト層１５４をエッチング除去する（図１４
（ｆ））。その後、反応性イオンエッチングにより、ピ
ラミッド先端部の導電性材料層１５３をエッチングし、
開口部１５５を形成する（図１４（ｇ））。

【０１４６】レジスト層１５４を除去した後、ＮＨ₄Ｆ
・ＨＦ混合溶液を用いて、絶縁層１５１を選択的に除去
する。この様にして、図１４（ｈ）に示すように、ゲー
ト電極となる導電性材料層１５３の開口部１５５内で、
カーボンナノチューブ１３６（図示せず）及び導電性凸
部１５２を露出させる。

【０１４７】図１４（ａ）〜（ｈ）図示の製造方法によ
り製造された図１２図示の電界放出型冷陰極装置におい
ては、エミッタ１１５の導電性凸部１１８（図１４
（ａ）〜（ｈ）では符号１５２で指示）は、ＳｉＯ₂熱
酸化絶縁層１５１の形成により尖鋭化された凹部１３５
を鋳型として形成されるため、その形状を引継いだ、先
端部が尖鋭なピラミッド形状となる。導電性凸部１１８
の先端部には、複数のカーボンナノチューブ１２２（図
１４では符号１３６で指示）が、部分的に導電性凸部１
１８に埋設された状態で支持される。また、エミッタ１
１５、即ち導電性凸部１１８及びカーボンナノチューブ
１２２の周囲には、ゲート電極１２８が間隔をおいてこ
れらと対向するようになる。

【０１４８】図１５は本発明の更に別の実施の形態に係
る電界放出型冷陰極装置の先端部を示す拡大概略図であ
る。この実施の形態は、カーボンナノチューブに代え、
フラーレン１２３を導電性凸部１１８上に配設したこと
を特徴とする。フラーレン１２３の構造上の特徴及び調
製方法は、前述のフラーレン１７と同様である。

【０１４９】図１５図示の構造は図１１（ａ）及び図１
２図示の電界放出型冷陰極装置のいずれにも適用するこ
とができる。また、これら適用例の製造方法は、図１３
（ａ）〜（ｆ）及び図１４（ａ）〜（ｈ）図示の製造方
法を実質的にそのまま利用することができる。即ち、図
１３（ｃ）及び図１４（ａ）図示の、凹部１３５の底部
にカーボンナノチューブを配置する工程において、カー
ボンナノチューブに代えてフラーレン１２３を配置する
という変更を行なうだけでよい。

【０１５０】図１６は本発明の更に別の実施の形態に係
る真空マイクロ装置の一例である平板型画像表示装置を
示す断面図である。

【０１５１】図１６図示の表示装置は、図１２図示の電
界放出型冷陰極装置を利用して形成される。図１６図示
の如く、ゲート電極１２８を構成する複数のゲートライ
ンが紙面に直角な方向に配列され、カソード配線層１１
６を構成する複数のカソードラインが紙面に平行な方向
に配列される。各画素に対応して、複数のエミッタ１１
５からなるエミッタ群がカソードライン上に配設され
る。

【０１５２】ガラス製の支持基板１１２と対向するよう
にガラス製の対向基板１７２が配設され、両基板１１
２、１７２間に真空放電空間１７３が形成される。両基
板１１２、１７２間の間隔は、周辺のフレーム及びスペ
ーサ１７４により維持される。支持基板１１２と対向す
る対向基板１７２の面上には、透明な共通電極即ちアノ
ード電極１７６と、蛍光体層１７８とが配設される。

【０１５３】この平板型画像表示装置においては、ゲー
トラインとカソードラインとを介して各画素におけるゲ
ート電極１２８とエミッタ１１５との間の電圧を任意に
設定することにより、画素の点灯及び点滅を選択するこ
とができる。即ち、画素の選択は、いわゆるマトリック
ス駆動により、例えば、ゲートラインを線順次に選択し
て所定の電位を付与するのに同期して、カソードライン
に選択信号である所定の電位を付与することにより行な
うことができる。

【０１５４】ある１つのゲートラインとある１つのカソ
ードラインとが選択され、夫々所定の電位が付与された
時、そのゲートラインとカソードラインとの交点にある
エミッタ群のみが動作する。エミッタ群より放出された
電子は、アノード電極１７６に印加された電圧により引
かれ、選択されたエミッタ群に対応した位置の蛍光体層
１７８に達してこれを発光させる。

【０１５５】なお、図１６図示の表示装置は、図１２図
示の電界放出型冷陰極装置を利用して形成されるが、他
の実施の形態、例えばフラーレン１２３からなるエミッ
タ１１５を有する電界放出型冷陰極装置を利用した場合
でも、同様に表示装置を形成することができる。また、
これらの電界放出型冷陰極装置を利用して、電力変換装
置例えばパワースイッチング装置のような、表示装置以
外の真空マイクロ装置を形成することもできる。

【０１５６】以上、本発明を添付の図面に示す実施の形
態を参照して述べたが、本発明は、その思想の範囲にお
いて、図示の実施の形態以外の種々態様で実施すること
が可能である。

【０１５７】

【発明の効果】本発明によれば、カーボンナノチューブ
或いはフラーレンを用いてエミッタを形成するため、電
界放出特性が均一で且つ低電圧駆動が可能で電界放出効
率も高い電界放出型冷陰極装置及びその製造方法を提供
することができる。また、本発明によれば、高集積化が
容易で、生産性に富み、且つ同一形状の尖鋭なエミッタ
を多数形成可能な電界放出型冷陰極装置及びその製造方
法を提供することができる。特に、カーボンナノチュー
ブを用いた場合は、エミッタのアスペクト比を高くする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態に係る電
界放出型冷陰極装置を製造工程順に示す概略断面図。

【図２】（ａ）〜（ｃ）はカーボンナノチューブ及びフ
ラーレンの詳細を示す図。

【図３】（ａ）、（ｂ）は本発明の別の実施の形態に係
る電界放出型冷陰極装置を製造工程順に示す概略断面
図。

【図４】（ａ）〜（ｃ）は本発明の更に別の実施の形態
に係る電界放出型冷陰極装置を製造工程順に示す概略断
面図。

【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の更に別の実施の形態
に係る電界放出型冷陰極装置を製造工程順に示す概略断
面図。

【図６】（ａ）〜（ｄ）は本発明の更に別の実施の形態
に係る電界放出型冷陰極装置を製造工程順に示す概略断
面図。

【図７】（ａ）、（ｂ）は、夫々、本発明の更に別の実
施の形態に係る電界放出型冷陰極装置を示す概略断面
図。

【図８】（ａ）〜（ｃ）は本発明の更に別の実施の形態
に係る電界放出型冷陰極装置を製造工程順に示す概略断
面図、（ｄ）はその変更例を示す概略断面図。

【図９】（ａ）〜（ｃ）は本発明の更に別の実施の形態
に係る電界放出型冷陰極装置を製造工程順に示す概略断
面図、（ｄ）はその変更例を示す概略断面図。

【図１０】（ａ）、（ｂ）は、夫々、本発明の更に別の
実施の形態に係る真空マイクロ装置の一例である平板型
画像表示装置を示す断面図。

【図１１】（ａ）、（ｂ）は本発明の更に別の実施の形
態に係る電界放出型冷陰極装置を示す概略断面図とその
先端部を示す拡大概略図。

【図１２】本発明の更に別の実施の形態に係る電界放出
型冷陰極装置を示す概略断面図。

【図１３】（ａ）〜（ｆ）は図１１（ａ）図示の電界放
出型冷陰極装置を製造工程順に示す概略断面図。

【図１４】（ａ）〜（ｈ）は図１２図示の電界放出型冷
陰極装置を製造工程順に示す概略断面図。

【図１５】本発明の更に別の実施の形態に係る電界放出
型冷陰極装置の先端部を示す拡大概略図。

【図１６】本発明の更に別の実施の形態に係る真空マイ
クロ装置の一例である平板型画像表示装置を示す断面
図。

【図１７】（ａ）〜（ｃ）は従来の電界放出型冷陰極装
置を製造工程順に示す概略断面図。

【符号の説明】

１２…支持基板１４…エミッタ１６…カーボンチューブ１７…フラーレン１８…グラファイトシート２２…グラファイトシート２６…カーボンナノチューブ層２８…カソード配線層３２…充填層３４…導電性材料層４２…カソード電極（収集部材）４４…合成樹脂層４６…導電性材料層５２…絶縁層５４…ゲート電極６２…絶縁層７２…対向基板７３…真空放電空間７４…スペーサ７６…アノード電極７８…蛍光体層８２…アノード電極１１２…支持基板１１４…カソード配線層１１５…エミッタ１１６…導電性材料層１１８…導電性凸部１２２…カーボンナノチューブ１２３…フラーレン１２４…充填層１２６…絶縁層１２８…ゲート電極１３１…Ｓｉ単結晶基板（モールド基板）１３５…凹部１３６…カーボンナノチューブ１３７、１３８…導電性材料層１４１…ガラス基板１５１…酸化絶縁膜１５３…導電性材料層１５４…レジスト層１５５…開口部１７２…対向基板１７３…真空放電空間１７４…スペーサ１７６…アノード電極１７８…蛍光体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−201275（ＪＰ，Ａ) 特開平７−192604（ＪＰ，Ａ) 特開平７−11520（ＪＰ，Ａ) 特開平７−254370（ＪＰ，Ａ) 特開平９−221309（ＪＰ，Ａ) 特開平６−227806（ＪＰ，Ａ) 特開平８−188406（ＪＰ，Ａ) 特開平６−331309（ＪＰ，Ａ) 特表2000−500905（ＪＰ，Ａ) ＷａｌｔＡ．ｄｅＨｅｅｒ，ＡＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅＦｉｅｌｄ−ＥｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＳｏｕｒｃｅ，ＳＣＩＥＮＣＥ，第270巻，第5239号，ｐ．1179− 1180 遠藤守信，カーボンナノチューブの生成、構造と物性，表面，第32巻，第５号，ｐ．277−283 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/304 H01J 9/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】支持部材と、前記支持部材上に配設され且つ電界放出効率を高めるよ
うにカーボンナノチューブを具備する電子を放出するた
めのエミッタと、前記支持部材と協働して前記エミッタを包囲する真空放
電空間を形成する包囲部材と、前記エミッタに対して間隔をおいて配設され且つ前記エ
ミッタとの間の電位差により前記エミッタから電子が放
出されるように配設された引出し電極と、を具備し、前記カーボンナノチューブは、炭素の６員環の連なりか
らなるグラファイトシートを、０．４２６ｎｍの周期を
有する方向において、円筒状に巻いた構造を有すること
と、前記エミッタは前記支持部材に支持された導電性凸部を
具備し、前記カーボンナノチューブは前記導電性凸部の
先端部に支持されることと、を特徴とする真空マイクロ装置。
【請求項２】支持部材と、前記支持部材上に配設され且つ電界放出効率を高めるよ
うにカーボンナノチューブを具備する電子を放出するた
めのエミッタと、前記支持部材と協働して前記エミッタを包囲する真空放
電空間を形成する包囲部材と、前記エミッタに対して間隔をおいて配設され且つ前記エ
ミッタとの間の電位差により前記エミッタから電子が放
出されるように配設された引出し電極と、を具備し、前記カーボンナノチューブは、炭素の６員環の連なりか
らなるグラファイトシートを、０．７３８ｎｍの周期を
有する方向において、円筒状に巻いた構造を有すること
と、前記エミッタは前記支持部材に支持された導電性凸部を
具備し、前記カーボンナノチューブは前記導電性凸部の
先端部に支持されることと、を特徴とする真空マイクロ装置。
【請求項３】前記エミッタが複数のカーボンナノチュー
ブを具備することを特徴とする請求項１または２に記載
の真空マイクロ装置。
【請求項４】前記支持部材上に配設されたカソード配線
層を更に具備し、前記エミッタは前記カソード配線層上
に配設されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれ
かに記載の真空マイクロ装置。
【請求項５】前記カソード配線層はＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃ
ｒ、Ｎｉ、Ｃｕからなる群から選択された材料から形成
されることを特徴とする請求項４に記載の真空マイクロ
装置。
【請求項６】前記カーボンナノチューブは部分的に前記
導電性凸部に埋設されることを特徴とする請求項１乃至
５のいずれかに記載の真空マイクロ装置。
【請求項７】前記導電性凸部はＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、
Ｎｉ、Ｓｉ、ＬａＢ₆、ＡｌＮ、ＧａＮ、グラファイ
ト、ダイヤモンドからなる群から選択された材料から形
成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに
記載の真空マイクロ装置。
【請求項８】前記支持部材は合成樹脂から形成されるこ
とを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の真空
マイクロ装置。
【請求項９】前記エミッタは複数のカーボンナノチュー
ブを具備し、それ等の７０％以上は３０ｎｍ以下の直径
を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに
記載の真空マイクロ装置。
【請求項１０】前記カーボンナノチューブの端部は炭素
の５員環、６員環、７員環を含むグラファイトシートに
より閉じられていることを特徴とする請求項１乃至９の
いずれかに記載の真空マイクロ装置。
【請求項１１】前記エミッタを形成する前記カーボンナ
ノチューブにおいて、底部の直径に対する高さを表すア
スペクト比は、３以上で１×１０⁶以下であることを特
徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の真空マイ
クロ装置。
【請求項１２】前記アスペクト比は、３以上で１×１０
³以下であることを特徴とする請求項１１に記載の真空
マイクロ装置。
【請求項１３】前記カーボンナノチューブ内に配設され
た、電子を放出することのできる導電性充填層を更に具
備することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに
記載の真空マイクロ装置。
【請求項１４】前記充填層がＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎ
ｉ、Ｓｉ、ＬａＢ₆、ＡｌＮ、ＧａＮ、グラファイト、
ダイヤモンドからなる群から選択された材料から形成さ
れることを特徴とする請求項１３に記載の真空マイクロ
装置。
【請求項１５】前記引出し電極は前記支持部材に支持さ
れたゲート電極からなることを特徴とする請求項１乃至
１４のいずれかに記載の真空マイクロ装置。
【請求項１６】前記エミッタと対向する位置で前記包囲
部材上に配設されたアノード電極を更に具備することを
特徴とする請求項１５に記載の真空マイクロ装置。
【請求項１７】前記引出し電極は前記エミッタと対向す
る位置で前記包囲部材上に配設されたアノード電極から
なることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記
載の真空マイクロ装置。