CN101017755A

CN101017755A - 电子发射元件及其制造方法

Info

Publication number: CN101017755A
Application number: CNA200710008081XA
Authority: CN
Inventors: 村上俊介
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2007-08-15
Also published as: US7794298B2; US20070188068A1; JP2007214032A

Abstract

一种电子发射元件的制造方法，该电子发射元件具有阴极和位于该阴极上的包含金属的电子发射层，其特征在于，所述制造方法包括：(A)制备导电性的第一层、位于该第一层上的第二层、与第二层接触的含有金属的第三层的第一步骤；(B)使所述金属从所述第三层扩散到所述第二层的第二步骤。其目的在于，提供一种能简易制成的、能比较容易地控制电子发射膜中的金属量的、与电子发射膜接触的电极和电子发射膜的紧贴性良好的电子发射元件的制造方法。

Description

电子发射元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及电子发射元件、电子源、图像显示装置的制造方法。

背景技术

在电子发射元件中有场致发射型(以下称作“FE型”)的电子发射元件、以及专利文献6中描述的表面传导型的电子发射元件。

在FE型中有非专利文献1或专利文献3或专利文献4中描述的使用碳纤维的电子发射元件、以及专利文献1或专利文献2或专利文献5中描述的包括具有平坦表面的电子发射膜的电子发射元件。

作为所发射的电子束的扩展少的电子发射元件的例子，有在平坦的电子发射膜上设置开口(所谓的栅孔)的具有绝缘层和栅电极的层叠体的电子发射元件。在这样的具有平坦的电子发射膜的电子发射元件中，在电子发射膜表面形成比较平坦的等电位面，所以能减小电子束的扩展。此外，在专利文献2、3中，提出为了减小所发射的电子束的扩展，在电子发射膜上配置导电层的电子发射元件。在专利文献1或专利文献5中提出了使用电子发射特性优异、含有金属的电子发射膜、或在表面设置偶极层的电子发射膜的电子发射元件。

此外，在专利文献7中公开了为了使半导体的表面附近为强的p型，而在半导体的表面设置成为受主的碱金属，并把碱金属扩散到半导体内的步骤。具体而言，在ZnS的半导体表面上薄薄地蒸镀Na₂Se或K₂S，在ZnSe的半导体表面上薄薄地蒸镀Na₂Se或K₂Se，在ZnTe或CdTe的半导体表面上薄薄地蒸镀Na₂Te或K₂Te。然后，通过在惰性气体中在500～600℃下加热，把碱金属扩散到半导体中。

[专利文献1]特开2004-071536号公报

[专利文献2]特开平08-055564号公报

[专利文献3]特开2002-140979号公报

[专利文献4]特开2004-107162号公报

[专利文献5]特开2005-26209号公报

[专利文献6]特开平10-55753号公报

[专利文献7]特开平10-064416号公报

[非专利文献1]K.B.K.Teo等8人，“Field Emission from dense，sparse，and patterned arrays of carbon nanofibers”，“Applied PhysicsLetters”，2002年3月18日，vol.80，p.2011-2013

作为形成专利文献1中的电子发射特性优异、含有金属的电子发射膜的方法，有同时溅射金属和石墨的方法、溅射金属和石墨的混合靶的方法、把金属对碳素系薄膜进行离子注入的方法等。可是，这些手法的制造步骤繁杂。此外，为了使电子发射膜的电子发射特性稳定，重要的是控制电子发射膜中的金属量。此外，如果电子发射膜和与电子发射膜接触的层(例如阴极电极)的紧贴性差，则由于制造时的各种步骤、以及驱动中产生的热等理由，在极端的时候，有时会发生电子发射膜剥离等各种问题。

因此，本发明的目的在于，提供能简易地制成、能比较容易地控制电子发射膜中的金属量、并且与电子发射膜接触的电极和电子发射膜的紧贴性良好的电子发射元件的制造方法。此外，同时其目的在于，提供电子发射特性稳定、电子束的扩展小的电子发射元件的制造方法。此外，其目的在于，提供具有多个电子发射元件的电子源的制造方法、和使用该电子源的图像显示装置的制造方法。

发明内容

用于实现所述的目的而提出的本发明的结构如下所示。

根据本发明的第一方面，提供一种电子发射元件的制造方法，该电子发射元件包括阴极；电子发射膜，该电子发射膜包含设置在阴极上并且在其中拥有电子发射区的具有金属的碳层；和设置在电子发射膜上的预定区域上的电极，所述方法包括以下的步骤：A)制备具有形成阴极的导电层、在该导电层上的碳层、和与碳层接触的金属层或含金属的层的结构；B)把金属层或含金属的层中所包含的金属扩散到碳层中。该实施例还包括步骤(C)；在步骤B)的处理后去除金属层或含金属的层的一部分，从而至少暴露碳层的一部分；其中，在步骤C的去除处理以后，金属层或含金属的层的剩余部分构成电极，该电极是电子束会聚电极。

在以上的第一方面的实施例中，该电子发射元件还包括栅，步骤A中的结构还包括在金属层或含金属的层上的绝缘层和在绝缘层上的形成栅电极的导电层，该方法还包含步骤D：在所述步骤B之后，形成贯通金属层或含金属的层、绝缘层和栅极导电层的孔，从而至少暴露碳层的一部分。包围该孔的金属层或含金属的层构成电子束会聚电极。通过加热碳层进行金属扩散，以使扩散后的金属在电子发射膜中成为颗粒。

根据本发明的第二方面，提供一种电子发射元件的制造方法，该电子发射元件包括阴极、设置在阴极上的具有电子发射区的电子发射膜、和设置在电子发射膜上的预定的区域上的电子束会聚电极，该方法包括以下的步骤：A)制备具有形成阴极的导电层、在该导电层上的电子发射膜的前体层和与前体层接触的金属层或含金属的层的结构；B)把金属层或含金属的层中包含的金属扩散到前体层中；C)在所述步骤B的处理后去除金属层或含金属的层的一部分，以至少暴露前体层的一部分；其中，在去除处理的步骤(C)以后，金属层或含金属的层的剩余部分构成电子束会聚电极。在实施例中，加热前体层，以使扩散后的金属在电子发射膜中扩散。

根据本发明的第三方面，提供一种电子发射元件的制造方法，该电子发射元件包括阴极、设置在阴极上的具有电子发射区的电子发射膜、和设置在电子发射膜上的预定的区域中的电子束会聚电极，该方法包括以下的步骤：A)制备具有形成阴极的导电层(10)、在导电层上的电子发射膜的前体层(11)和与前体层接触的金属层或含金属的层(12)的结构；B)使从金属层或含金属的层扩散进入前体层的金属成为颗粒。

以上的方法中的金属层或含金属的层包含从Fe、Co、Ni、Pd和Pt中选择的一种或多种金属或它们的合金。制造图像形成装置，该图像形成装置包括根据以上的方法制造的电子发射元件和由来自电子发射元件的电子所照射的发光屏。

根据本发明的第四方面，提供一种电子发射元件，包括阴极、设置在阴极上的具有电子发射区的电子发射膜、和与电子发射膜接触的金属层或含金属的层，其中：电子发射膜包括从金属层或含金属的层扩散的金属。

根据本发明的第五方面，提供一种电子发射元件，包括阴极、设置在阴极上的具有电子发射区的电子发射膜、和与电子发射膜接触的电子束会聚电极，其中：电子发射膜包括母材料和散布在母材料中的金属，金属与电子束会聚电极的材料相同，或者与电子束会聚电极中包含的金属相同。在实施例中，电子发射膜的母材料是碳，电子束会聚电极包括从Fe、Co、Ni、Pd和Pt中选择的一种或多种金属或它们的合金。

在当前的说明书中，“含金属的层”指包含金属和不是金属的材料的层。以下“金属层或含金属的层”广泛地指含金属的层。

根据本发明，可以容易地控制电子发射膜中的金属含量，使电子发射特性稳定，并且可以形成用于射束会聚的结构，提高电子发射膜和电极的紧贴性，可以长期地维持电子发射特性。

附图说明

下面简要说明附图。

图1是表示本发明的电子发射元件的制造方法的一个例子的示意图。

图2是表示本发明的电子发射元件的结构的剖面图和平面图。

图3是表示本发明的电子发射元件的制造方法的一部分的示意图。

图4是表示本发明的简单矩阵配置的电子源的结构图。

图5是表示本发明的图像显示装置的概略结构图。

图6是表示本发明的电子发射元件的制造方法的一个例子的示意图。

图7是表示本发明的电子发射元件的制造方法的一个例子的示意图。

图8是驱动本发明的电子发射元件时的示意图。

图9是表示本发明的电子发射元件的其他结构例的示意图。

图10是表示本发明的电子发射元件的其他结构例的示意图。

具体实施方式

以下参照附图详细说明本发明的实施例。以下的实施例中记载的构成零件的尺寸、材料、形状、相对位置只要未特别记载，本发明的范围就不由它们限制。

图1是表示由本发明的制造方法制造的电子发射元件的一个例子的示意图。图1A是平面示意图，图1B是图1A的A-A’的剖面示意图。1是衬底，2是第一电极(典型地相当于阴极)，3是电子发射膜，4是第二电极(典型地相当于会聚电极)，5是由绝缘体构成的层(绝缘层)，6是第三电极(典型地相当于栅电极)。此外，21是把第二电极、绝缘层、第三电极连通的开口(贯通的开口)。

从电子发射特性的观点来看，电子发射膜3优选为在以碳为主体的膜中含有金属的形态。此外，作为实用的范围，电子发射膜3的膜厚为5nm以上10μm以下，优选是10nm以上1μm以下的范围。

图8是表示从图1所示的电子发射元件发射电子时的情况的示意图。在图1和图8中，对相同的构件付与相同的符号。7是第四电极(典型地是阳极)，8是驱动电源，9是高压电源。在发射电子时，使第一电极2和第二电极4为相同的电位或大致相同的电位。为了提高会聚性，使第二电极4的电位比第一电极2的电位低。对第三电极6供给比第一电极2还高的电位，从平坦的电子发射膜3场致发射电子。从电子发射膜3发射的电子被吸引到电位设定为充分高于第三电极6的电位(典型地是10倍以上的高电位)的第四电极(阳极)。作为实用情况，从高压电源9对第四电极7施加1kV以上30kV以下的电压，在第一电极2和第三电极6之间，典型地施加大于0V而小于等于100V的电压。第一电极2的电位设定为接地电位在电路设计上是优选的。

在图1中，第一电极2和第二电极4连接至大致相同的电位。此外，Vb指施加在第三电极6和第一电极2之间的电压(从电源8输出的电压)，Va指施加在阳极8上的电压(从电源9输出的电压)，Ie指电子发射电流。

如果施加Vb和Va，就在开口21中形成强电场。而开口21内部的等电位面的形状由Vb、绝缘层5的厚度、形状、绝缘层的介电常数等所决定。在开口21之外，主要受与阳极7的距离H的影响，但是由于Va，成为几乎平行的等电位面。如果施加在位于开口21内的电子发射膜3的表面的电场强度超过足以从电子发射膜开始电子发射的电场强度的阈值(最小电场强度)的话，就从电子发射膜3发射电子。从开口21发射的电子撞击阳极7。须指出的是，开口21优选是圆柱状，但是并不排除多棱柱状。

此外，图10表示可应用后面详细描述的本发明的电子发射元件的制造方法的电子发射元件的其他形态。在图10和图1中对于相同的构件付与相同的符号。即在图10的形态中，是第三电极6配置在衬底1和第一电极2之间的形态。另外，在第一电极2和第三电极6之间配置有绝缘层5。对该形态的电子发射元件也能应用本发明。从该形态的电子发射元件发射电子时，如使用图8说明的那样，对第三电极6供给比第一电极2的电位还高的电位，从而能从平坦的电子发射膜3场致发射电子。

以下以图1所示的构造的电子发射元件为例，使用图2所示的剖面示意图，说明本发明的电子发射元件的制造方法的一个例子。

(步骤A)

[步骤a-1]

制备在表面设置最终成为第一电极2的导电性的第一层10的衬底1。

作为衬底1，可以使用石英玻璃、减少了Na等杂质含量的玻璃、青板玻璃、在硅衬底上通过溅射法层叠了氧化硅(典型地是SiO₂)的层叠体、氧化铝等陶瓷的绝缘性衬底等。

第一层10由具有导电性的材料构成，可以通过蒸镀法、溅射法等一般的真空成膜技术、光刻技术形成。第一层10的材料具体而言能使用金属或金属的氮化物、金属的碳化物，但是优选是难以向电子发射膜3扩散的化学上稳定的材料。因此，希望选择与后面描述的第三层12的金属(向第二层11扩散的金属)相比，向电子发射膜3(第二层11)的扩散性(扩散概率)更低的材料。后面描述的步骤中说明的从第三层12向第二层11扩散的金属优选是难以扩散到第一层10内的材料。

因此，作为第一层10的材料，更具体而言，优选是Ti、Nb、Mo、Ta、W。可是，也可以通过与后面描述的步骤中说明的第三层12的金属(向第二层11扩散的金属)的组合来适当选择。此外，作为其厚度，作为实用的范围，在10nm以上100μm以下的范围中设定，希望在100nm以上10μm以下的范围中选择。

须指出的是，这里，表示了用不同的构件构成衬底1和第一层12的例子，但是可以用一个导电性构件构成。

第二层11是母(宿主)材料(例如碳)，在后面的工艺中在其中扩散了金属。第二层是电子发射膜的前体层。

[步骤a-2]

在第一层10上设置最终成为电子发射膜3的第二层11。第二层11可以由蒸镀法、溅射法、印刷法等形成。

须指出的是，第一电极2相当于所谓的阴极电极，但是根据电子发射元件的形态，为了不产生过剩的发射电流，所述第一电极2有时也具有用于限制电流的电阻的功能。即这时，第一电极2有时也是电阻层。

或者如图9A所示，所述第一电极(阴极电极)2有时由低电阻的电极2b和比该电极2b的电阻高的电阻层2a的层叠体构成。或者，如图9B所示，也可以是电阻层2a位于电子发射层3的正下方，在其旁边配置电极2b。在这样设置电极2b和电阻层2a的情况下，所述的驱动电源8与第三电极6和电极2b连接。而从电极2b通过电阻层2a对电子发射膜3供给电子。

第二层11的母(宿主)材料从半导体或绝缘体中选择。特别地，在控制电子发射膜的电阻和电子发射特性方面，优选比含有的金属的电阻率大的材料。更优选是绝缘体，特别优选是以碳为主成分的材料。另外，优选Fe、Co、Ni、Pd、Pt等金属容易扩散的材料。例如从类金刚石碳、无定形碳、包含感光性树脂等的有机物中适当选择。

[步骤a-3]

在第二层11上设置最终成为第二电极4的含有金属的第三层12。第三层12可以通过蒸镀法、溅射法、印刷法等形成。第三层12的材料希望是容易使第三层12中的金属向第二层11扩散的材料。例如可以将如果在电子发射膜3中含有的话就能使电子发射膜具有良好的电子发射特性的良好的材料即Fe、Co、Ni、Pd、Pt等金属或包含这些金属的合金用于第三层12。通过与第二层11的材料加以组合，能适当选择第三层12的材料；但是当第二层11以碳为主要成分时，希望第三层12含有从所述Fe、Co、Ni、Pd、Pt中选择的金属。特别希望是Co或Pd。

第三层12最终在驱动时用于抑制电子发射层3的表面上的电场强度的偏差。因此，其厚度在实用上在大于等于1nm而小于10μm的范围中设定，优选在大于等于10nm而小于1μm的范围中选择。

须指出的是，在步骤a-3中，使金属扩散到第二层11中的第三层12可以与第二层11接触设置。因此，可以配置在第二层11之下。

这时，步骤a-3能置换为在导电性的第一层10和第二层11之间设置第三层111的步骤。或者，也可以通过使所述第一层10含有待扩散的金属，使第一层10具有供给(扩散)金属的所述第三层的功能。这些时候，希望在第二层11上，在图2A所示的符号12表示的构件的位置上另外设置用于抑制驱动时施加在电子发射膜3的表面上的电场强度的分布的、成为第二电极4的导电层。

最终成为第二电极4的层由具有导电性的材料构成。可以由蒸镀法、溅射法等一般的真空成膜技术、光刻技术形成。

最终成为第二电极4的导电层的材料优选是比构成第三层的材料更难以向第二层11扩散的化学上稳定的材料。作为这样的材料，可以使用比构成第三层的材料(向第二层11扩散的材料)的扩散系数更小的金属、或者包含这些金属的氮化物或碳化物的合金。更具体而言，可以使用TiN、TiAlN等材料。

此外，作为第二电极4的厚度，被设定在大于等于1nm而小于10μm的范围，优选在大于等于10nm而小于1μm的范围中选择。含金属的层12成为总配置在电子发射膜3之下的状态，所以电子发射膜3中的金属含量比在母材层11之上配置含金属的层12时稳定，并且电子发射膜3和阴极10的紧贴性提高。

此外，使金属扩散到第二层11的第三层12可以夹着第二层11地分别设置在第二层11的上下。这样形成电子发射元件时，电子发射膜3和其上下的层的紧贴性进一步提高。可是，必须在加热步骤中注意不使电子发射膜3中的金属含量变得过大。

在第二层11的上下设置第三层12时，用与构成所述第三层12的金属相同的金属构成上述的第一层10和/或第三层12，从而可以作为用于使该金属向所述第二层11扩散的层来使用。或者，也可以是在所述第二层11的上下，在所述第一层10和第三层12之外，设置用于使金属向所述第二层11扩散的层的形态。即可以是在第一层10和第二层11之间和/或第三层12和第二层11之间设置相当于上述含有金属的层(第三层)的层的形态。

[步骤a-4]

在第三层12上设置最终成为图2的绝缘层5的、由绝缘体构成的第四层13。第四层13可以由溅射法、CVD法、真空蒸镀法、印刷法等公知的成膜法形成。作为第四层13的厚度，在实用上，被设定为大于等于1nm而小于100μm的范围，优选在大于等于10nm而小于10μm的范围中选择。作为优选的材料，优选SiO₂、SiN、Al₂O₃、CaF、未掺杂金刚石等耐高电场的高耐压材料。

[步骤a-5]

在由绝缘体构成的第四层13上配置最终成为第三电极6的导电性的第五层14。第五层14可以由与上述的第一层10的形成方法相同的手法形成。第五层14的材料可以从可应用于上述的第一导电层10的材料组中适当选择。作为第五层14的厚度，在实用上，被设为大于等于1nm而小于100μm的范围，优选在大于等于10nm而小于10μm的范围中选择。

通过以上的步骤，可以设置图2A所示的构造。

(步骤B)

设置贯通在所述步骤A中形成的第五层14和第四层13的第一开口20。

具体而言，在第五层14上形成具有用于形成开口20的图案(开口)的掩模(未图示)。然后，使用该掩模进行形成贯通第五层14和第四层13、直到第三层12的第一开口20的蚀刻步骤。须指出的是，蚀刻法能采用现有公知的各种手法。

此外，第一开口20的平面形状(与衬底1的表面平行的截面形状)并不局限于圆形，也可以是正方形、长方形等四边形或多边形。形成第一开口20后，除去掩模图案。

须指出的是，步骤B也可以在接着步骤A进行以下的步骤C后进行。这时，替换为形成贯通第五层14和第四层13、直到电子发射层3的上表面(使电子发射膜3的一部分露出)的开口21的蚀刻步骤。即这时也可以不进行步骤B，而只进行后面描述的步骤D。

(步骤C)

在至少结束所述步骤a-3后，通过使第三层12中包含的金属扩散到第二层11中，使第二层11成为电子发射膜3。作为扩散的方法，优选使用加热。加热可以至少加热第二层11和第三层，但是为了更容易地进行，可以通过加热每个衬底1进行。作为加热的方法，在焙烧炉等中配置衬底1，用加热器或灯加热整个衬底1，或者用激光器至少加热第二层11和第三层，但并没有特别限制。此外，加热时的气氛可以是在真空中或气体中，但是不希望使导电层氧化。在气体中加热时，希望在惰性气体中加热。此外，真空中加热时的真空度优选为10^-4Pa以下。

加热温度从400℃以上1000℃以下的范围中选择。适当选择加热温度、加热温度的保持时间、到达加热温度的升温速度、用于加热后的冷却的降温速度。考虑第三层12中包含的金属材料和第二层11的材料的组合、以及后面描述的后处理步骤中进行的加热步骤。然后，进行选择，从而使金属向第二层11中扩散的程度成为所需的扩散程度。关于加热温度，在所述步骤C以后的步骤中，希望控制在比所述步骤C的加热温度低的温度。

从电子发射特性的观点来看，电子发射膜3优选为在以碳为主体的膜中包含金属的形态。因此，所述第二层11优选由以碳为主成分的层构成。须指出的是，通过步骤C的加热，在第二层11(加热前)和电子发射膜3(加热后)中扩散了金属，所以其组成不同。此外，第二层11的主成分在加热前和加热后，有时其结晶性等会部分地变质。此外，第二层11的膜厚度被设为大于等于1nm而小于100μm的范围，而大于等于1nm而小于100nm的范围能容易地取得稳定、良好的电子发射特性，所以是优选的。

此外，所述步骤C可以是在与第二层11接触地设置第三层13后的任意时候进行，并不局限于一定在所述步骤B后进行。可是，必须在设置贯通第三层12的开口之前进行。

(步骤D)

设置贯通第五层14、第四层13、第三层12，到达电子发射膜3上表面的(使电子发射膜3露出)开口21。

在已经进行了步骤B的情况下，可以与步骤B中设置的第一开口20连通地设置贯通第三层12、到达电子发射膜3上表面的第二开口21。

作为开口21的形成方法，可以使用各种蚀刻方法。在把第五层14用作掩模，通过在第五层14的一部分上设置的开口，由蚀刻形成开口21的情况下，必须把第五层的膜厚设定为比第三层12厚。此外，也可以对第五层14使用比第三层12的蚀刻速度还慢的材料，作为用于形成开口21的掩模。用于形成开口21的手法并没有特别限定。

通过所述步骤D(以及步骤B)，第五层14成为图1所示的第三电极6(典型地相当于栅电极)。然后，第四层13成为图1所示的绝缘体构成的层5(绝缘层)。而第三层12成为图1所示的第二电极4(典型地相当于会聚电极)。

通过以上的步骤可以形成电子发射元件，但是本发明在形成开口21后，还可以加上以下表示的2个步骤(步骤E、步骤F)中的至少一个步骤。最好进行以下表示的2个步骤的双方。通过追加这些步骤，电子发射特性进一步提高。须指出的是，在进行步骤E、步骤F双方的情况下，可以同时进行，也可以分别进行。在分别进行时，优选在进行步骤E之后进行步骤F。

(步骤E)

加热电子发射膜3(扩散了金属后的第二层11)，使扩散后的金属凝聚，如图3所示，在电子发射膜3中设置分别包含金属的多个颗粒15。加热温度从400℃～1000℃的范围选择。作为加热方法，能采用各种手法。例如，也能采用以开口21为掩模，对开口21内露出的电子发射膜3(扩散金属后的第二层11)的一部分照射光等能量，来实质上只加热开口21内的电子发射膜3的露出部分的手法。或者，也可以采用在加热炉中加热衬底1的方法等。根据第三层12的金属种类和第二层11的种类的组合，适当决定加热温度、到达加热温度的升温速度、加热温度的保持时间、用于加热后的冷却的降温速度。

经过步骤E的电子发射膜3是在碳素系薄膜中含有金属微粒的形态，电子发射膜33的膜厚度与电子发射膜3的膜厚度几乎相同。此外，电子发射膜3中含有的粒子15的平均粒径优选是1nm以上10nm以下。此外，电子发射膜3中的金属的浓度优选为0.001atm％以上30atm％以下。此外，电子发射膜3中的主成分即碳素系膜部分的电阻率是1×10⁸Ω·cm以上1×10¹⁴Ω·cm以下。

(步骤F)

步骤F是在电子发射膜3的表面设置偶极层的步骤。

通过对电子发射膜3的表面进行化学改性，可以形成偶极层。更具体而言，可以通过用氢对电子发射膜3的表面进行终止处理，来进行步骤F。

通过该步骤，能使电子的发射变得更容易。

可以通过在包含氢和碳化氢气体的气氛中加热电子发射膜3来进行基于氢的终止。作为碳化氢气体，希望使用链状碳化氢。作为链状碳化氢，优选使用乙炔气、乙烯气体、甲烷气体中的任意一个。基于氢的终止也可以在进行步骤E后进行，但是对不进行步骤E的电子发射膜3进行也是优选的形态之一。

此外，也可以采用选择加热温度和气体气氛，实质上同时进行步骤E和步骤F的形态。

下面描述应用可以用本发明制造的电子发射元件的应用例。通过在衬底上排列多个能用本发明制造的电子发射元件，可以构成例如电子源和图像显示装置。

使用图4说明排列多个电子发射元件而获得的电子源。在图4中，1是衬底，42是X方向布线，43是Y方向布线，44是用本发明的制造方法制造的电子发射元件。在图4中，表示了在一个电子发射元件中形成一个开口的例子，但是开口也可以设置多个。

X方向布线42由Dx1、Dx2…Dxm等m条布线构成，可以由使用真空蒸镀法、印刷法、溅射法等形成的金属等导电性材料构成。适当设计布线的材料、膜厚度、宽度。Y方向布线43由Dy1、Dy2、…Dyn等n条布线构成，与X方向布线42同样地形成。

在m条X方向布线42和n条Y方向布线43之间设置未图示的层间绝缘层，将两者电隔离。这里，m和n都是正的整数。未图示的层间绝缘层由使用真空蒸镀法、印刷法、溅射法形成的氧化硅构成。

构成电子发射元件44的第一电极(阴极电极)2与m条X方向布线42中的一个电连接，第三电极(栅电极)6与n条Y方向布线43中的一个电连接。

构成X方向布线42、Y方向布线43、第一电极2和第三电极6的材料的构成元素的一部分或全部可以相同，也可以分别不同。当构成第一电极和第三电极的材料和布线材料相同时，X方向布线42、Y方向布线43可以分别为第一电极或第二电极。

在X方向布线42上连接了施加用于选择在X方向上排列的电子发射元件44的行的扫描信号的未图示的扫描信号施加部件。而在Y方向布线43上连接了用于按照输入信号调制在Y方向上排列的电子发射元件44的各列的未图示的调制信号发生部件。施加在各电子发射元件上的驱动电压定义为施加在该元件上的扫描信号和调制信号的差电压。

在所述结构中，可以选择个别的电子发射元件进行独立驱动。使用图5就使用这种矩阵配置的电子源构成的图像显示装置加以说明。图5是表示图像显示装置的显示面板的一个例子的示意图。

在图5中，1是排列了多个电子发射元件的衬底(后板)，53是玻璃等透明的衬底。56是由衬底53、设置在其内表面的通过电子射线的照射而发光的发光体膜54、作为阳极的金属背板55构成的前板。52是支撑框，在支撑框52上，使用玻璃粉等接合材料连接了后板1、前板56。57是外壳，由前板56、后板1和支撑框52构成。外壳57例如可以使用铟作为接合剂，在真空中、在把支撑框52夹在前板56、后板1之间的状态下，一边在相对的方向加压，一边加热，形成在内部保持气密的外壳(真空容器)。此外，所述加热温度优选是比上述的步骤C的加热温度、步骤E或步骤F的加热温度还低的温度。

外壳57可以是通过在前板56和后板1之间设置称作隔离块的未图示的支撑体，成为对大气压具有充分强度的结构。

此外，使用本发明的图像显示装置，通过与调谐器组合，能形成经由电视广播、数据广播、卫星广播和因特网的广播等各种广播的显示装置(包含所谓的电视)。此外，也能用作电视会议系统或计算机等的显示装置。

[实施例]

以下详细说明本发明的实施例。

(实施例1)

按照图2所示的步骤，制作图1所示的结构的电子发射元件。

[步骤1]

对衬底1使用石英，在充分进行洗净后，通过溅射法，在衬底1上以100nm的厚度形成作为第一层10的TiN。

[步骤2]

在第一层10上形成感光性树脂并加热干燥，进行曝光和显影，作为第二层11。该感光性树脂能使用在树脂中具有感光基的类型、或在树脂中混合了感光剂的类型。

[步骤3]

在第二层11上形成膜厚为50nm的Pt，作为含有金属的第三层12。

[步骤4]

在第三层12上，通过等离子体CVD法，形成膜厚为1000nm的作为第四层(由绝缘体构成的层)13的氧化硅。

[步骤5]

在第四层13上，形成膜厚为1000nm的作为第五层14的TiN(图2A)。

[步骤6]

接着在第五层14上旋转涂敷正型光致抗蚀剂，把光掩模图案(圆形)曝光、显影，形成掩模图案(圆形的开口)。这时的开口直径W1为1.5μm。

[步骤7]

通过于法蚀刻，除去第五层14、第四层13的一部分，在第三层12的上表面处停止蚀刻，形成第一开口20(图2B)。

[步骤8]

用剥离液除去剩下的掩模图案(未图示)，进行水洗。

[步骤9]

接着在1×10^-4Pa的真空中，在600℃下维持1小时，使第三层12的Pt扩散到第二层11中，然后一边维持真空度，一边进行自然冷却，形成电子发射膜3(图2C)。

[步骤10]

以第五层14为掩模，形成贯通第三层12并到达电子发射膜3的(使电子发射膜3露出)的开口21，完成本实施例的电子发射元件(图2D)。

这样制作的电子发射元件的电子发射膜3中的Pt的平均浓度是3atm％，电子发射膜3的膜厚度为30nm，并确保了电子发射膜3和第一层10以及第三层12的紧贴性。

测定了该电子发射元件的电子发射特性。在本实施例中制作的电子发射元件如图8所示，在电子发射元件的上方配置阳极电极7来驱动。在驱动时，在阳极电极7和阴极电极2(第一层10)之间施加电压Va，在阴极电极2(第一层10)和栅电极6(第五层14)之间施加电压Vb，测定电子发射特性。

施加电压为阳极电极7和阴极电极2(第一层10)之间的电压为Va＝10kV，阴极电极2(第一层10)和栅电极6(第五层14)之间的电压为Vb＝20V。而电子发射膜3和阳极电极8的距离H为2mm。这里，作为阳极电极8，使用涂敷了荧光体的电极，观察电子束的尺寸。与来自除不设置会聚电极4外形成了相同的层叠构造的电子发射元件的电子束相比，电子束的尺寸更小，即使长期驱动，也未发现构成电子发射元件的构件从衬底剥离的现象。

(实施例2)

按照图6所示的步骤制作图1所示的结构的电子发射元件。

[步骤1]

对衬底1使用石英，在充分进行洗净后，在衬底1上以100nm的厚度形成作为第一层10的TiN。

[步骤2]

在第一层10上沉积类金刚石碳膜，作为第二层11。

[步骤3]

在第二层11上，形成膜厚为50nm的Co作为第三层12。

[步骤4]

在第三层12上，形成膜厚为1000nm的SiO₂作为第四层13(绝缘层)。

[步骤5]

在第四层13上，形成膜厚为50nm的TiN(图6A)作为第五层14。

[步骤6]

接着在1×10^-4Pa的真空中，在600℃下维持1小时，使第三层12中包含的Co扩散到第二层11中，形成电子发射膜3(图6B)。

[步骤7]

接着，在第五层14上旋转涂敷正型光致抗蚀剂，把光掩模图案(圆形)曝光、显影，形成掩模图案(圆形的开口)。这时的开口直径W1为1.5μm。

[步骤8]

通过干法蚀刻，形成贯通第五层14、第四层(绝缘层)13、第三层12的第一开口21。控制蚀刻，使开口21在电子发射膜3上表面停止。

[步骤9]

用剥离液除去剩下的掩模图案(未图示)，进行水洗。

[步骤10]

接着在1×10^-4Pa的真空中，在600℃下维持1小时，使电子发射膜3中的Co凝聚，形成Co颗粒15。

[步骤11]

接着，在包含0.1％的乙炔和99.9％的氢的气氛中，在550℃下对电子发射膜3进行5小时加热处理，完成本实施例的电子发射元件(图6D)。

在这样制作的电子发射元件的电子发射膜3中分散地形成了多个Co颗粒15。电子发射膜3中的Co浓度为0.02atm％，电子发射膜3的膜厚度为30nm，电子发射膜3和第一层10以及第三层12的紧贴性也良好。

此外，测定了该电子发射元件的电子发射特性。与实施例1同样地测定本实施例中制作的电子发射元件的电子发射特性。

施加电压Va＝10kV、Vb＝20V，电子发射膜3和阳极8的距离H为2mm。这里，作为阳极电极8，使用涂敷了荧光体的电极，观察电子束的尺寸。确认了与来自除不设置会聚电极4外形成了相同的层叠构造的电子发射元件的电子束相比，电子束的尺寸更小。此外电子发射特性与实施例1相比，单位面积的电子发射量多，驱动电压也低。

(实施例3)

按照图7所示的步骤制作电子发射元件。

[步骤1]

对衬底1使用石英，在充分进行洗净后，通过溅射法在衬底1上以100nm的厚度形成作为第一层10的TiN。

[步骤2]

在第一层10上，形成膜厚为50nm的Co作为包含金属的第三层12。

[步骤3]

在第三层12上，沉积类金刚石碳膜作为第二层11，作为母材层32。

[步骤4]

在第二层11上，形成膜厚为50nm的TiN作为导电层121。

[步骤5]

在导电层121上形成膜厚为1000nm的SiO₂作为第四层13(绝缘层)。

[步骤6]

在第四层13上形成膜厚为50nm的TiN作为第五层14。

[步骤7]

接着在1×10^-4Pa的真空中，在600℃下维持1小时，使第三层12的Co扩散到第二层11中，形成电子发射膜3。须指出的是，在该加热步骤中，金属基本上不从导电层121向第二层11扩散。

[步骤8]

[步骤9]

通过干法蚀刻，形成贯通第五层36、第四层13、导电层121的开口21。控制蚀刻，以使开口21在电子发射膜3的上表面停止。

[步骤10]

用剥离液除去剩下的掩模图案(未图示)，进行水洗，完成本实施例的电子发射元件。

这样在本实施例中，在第二层11和第一层10之间设置了使金属扩散的第三层12。因为电子发射膜3中的Co浓度为3atm％，电子发射膜3的膜厚度为30nm，在第一导电层10和电子发射膜3之间配置了第三层12，所以电子发射膜3和第一层10的紧贴性比实施例1以及2大。

此外，与实施例1同样地测定了该电子发射元件的电子发射特性，可以取得与实施例1同样的电子发射特性。

(实施例4)

使用所述实施例2中制作的电子发射元件制作图5所示的图像显示装置。

把用与实施例2同样的方法制作的电子发射元件配置为100个×100个的矩阵状。如图5所示，在阴极2上连接X方向布线(Dx1～Dxm)，在栅电极7上连接Y方向布线(Dy1～Dyn)。各电子发射元件以横300μm、纵300μm的间隔配置。在各电子发射元件的上方配置荧光体。

在本实施例中制作的图像显示装置中，能进行矩阵驱动，可以长期地获得高清晰、亮度偏差少的良好的显示图像。

Claims

1.一种电子发射元件的制造方法，该电子发射元件包括阴极(2)、电子发射膜(3)、和设置在所述电子发射膜上的预定的区域上的电极(4)，所述电子发射膜包含设置在所述阴极上并且在其中具有电子发射区的具有金属的碳层，所述方法包括以下的步骤：

A、制备具有形成所述阴极的导电层(10)、在该导电层上的碳层(11)、与该碳层接触的金属层或含金属的层(12)的结构；

B、把所述金属层或含金属的层中包含的金属扩散到所述碳层中。

2.根据权利要求1所述的电子发射元件的制造方法，其中：

还包括步骤C：在步骤B的处理后去除所述金属层或含金属的层的一部分，从而至少暴露所述碳层的一部分；

其中，在进行去除处理的步骤C以后，所述金属层或含金属的层的剩余部分构成所述电极。

3.根据权利要求1所述的电子发射元件的制造方法，其中：

所述电极是电子束会聚电极。

4.根据权利要求3所述的电子发射元件的制造方法，其中：

该电子发射元件还包括栅(6)，步骤A中的结构还包括在所述金属层或含金属的层上的绝缘层(13)和在所述绝缘层上的形成栅电极的导电层(14)，所述制造方法还包含步骤D：在所述步骤B的处理之后，形成贯通所述金属层或含金属的层、绝缘层和栅电极导电层的孔(21)以至少暴露所述碳层的一部分；

其中，包围该孔的金属层或含金属的层构成电子束会聚电极。

5.根据权利要求1所述的电子发射元件的制造方法，其中：

在所述步骤B中，通过加热所述碳层进行金属扩散，以使扩散后的金属在所述电子发射膜中成为颗粒。

6.根据权利要求1所述的电子发射元件的制造方法，其中：

所述金属层或含金属的层包含从Fe、Co、Ni、Pd和Pt中选择的一种或多种金属或它们的合金。

7.一种图像形成装置的制造方法，该图像形成装置包括根据权利要求1制造的电子发射元件和由从该电子发射元件发射的电子所照射的发光屏。

8.一种电子发射元件的制造方法，该电子发射元件包括阴极(2)、设置在所述阴极上的具有电子发射区的电子发射膜(3)、和设置在所述电子发射膜上的预定的区域上的电子束会聚电极(4)，所述方法包括以下的步骤：

A、制备具有形成所述阴极的导电层(10)、在该导电层上的所述电子发射膜的前体层(11)和与该前体层接触的金属层或含金属的层(12)的结构；

B、把所述金属层或含金属的层中包含的金属扩散到前体层中；

C、在所述步骤B的处理后去除所述金属层或含金属的层的一部分，以至少暴露前体层的一部分；

其中，在去除处理的步骤C以后，所述金属层或含金属的层的剩余部分构成所述电子束会聚电极。

9.根据权利要求8所述的电子发射元件的制造方法，其中：

在所述步骤B中，加热所述前体层，以使扩散后的金属在所述电子发射膜中成为颗粒。

10.根据权利要求8所述的电子发射元件的制造方法，其中：

11.一种图像形成装置的制造方法，该图像形成装置包括根据权利要求8制造的电子发射元件和由从该电子发射元件发射的电子所照射的发光屏。

12.一种电子发射元件的制造方法，该电子发射元件包括阴极(2)、设置在所述阴极上的具有电子发射区的电子发射膜(3)、和设置在所述电子发射膜上的预定的区域中的电子束会聚电极(4)，所述方法包括以下的步骤：

A、制备具有形成阴极的导电层(10)、导电层上的电子发射膜的前体层(11)和与该前体层接触的金属层或含金属的层(12)的结构；

B、使从所述金属层或含金属的层扩散进入所述前体层的金属成为颗粒。

13.根据权利要求12所述的电子发射元件的制造方法，其中：

14.一种图像形成装置的制造方法，该图像形成装置包括根据权利要求12制造的电子发射元件和由从该电子发射元件发射的电子所照射的发光屏。

15.一种电子发射元件，包括阴极(2)、设置在所述阴极上的具有电子发射区的电子发射膜(3)、和与所述电子发射膜接触的金属层或含金属的层，其中：

所述电子发射膜包括从所述金属层或含金属的层扩散的金属。

16.一种电子发射元件，包括阴极(2)、设置在所述阴极上的具有电子发射区的电子发射膜(3)、和与所述电子发射膜接触的电子束会聚电极(4)，其中：

所述电子发射膜包括母材料和散布在母材料中的金属，所述金属与所述电子束会聚电极的材料相同，或者与所述电子束会聚电极中所包含的金属相同。

17.根据权利要求15或16所述的电子发射元件，其中：

电子发射膜的母材料是碳，电子束会聚电极包括从Fe、Co、Ni、Pd和Pt中选择的一种或多种金属或它们的合金。

18.一种图像形成装置，包括根据权利要求15或16的电子发射元件和由从该电子发射元件发射的电子所照射的发光屏。