CN1722340A - 电子发射元件、电子源、图像显示装置和它们的制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种电子发射元件、电子源、图像显示装置和它们的制造方法,在使用表面传导型的电子发射元件的电子源中,在用高电阻膜实现元件部的防止带静电的同时,防止因该高电阻膜的存在导致的泄露电流。为此,在形成导电性薄膜(4)后,在除了该导电性薄膜(4)和其周围的区域上形成高电阻膜(7),实施电形成处理,在导电性薄膜4上形成了龟裂(5)后,通过在含有碳化合物的气氛中在元件电极(2、3)之间施加电压,在龟裂5内和从龟裂5的端部到高电阻膜7上淀积碳膜(6)。
Description
技术领域
本发明涉及实现了防止带静电的表面传导型的电子发射元件、使用了它的电子源、使用该电子源的图像显示装置以及它们的制造方法。
背景技术
近年来,使用了表面传导型的电子发射元件的平板型的显示装置的开发盛行起来。该电子发射元件,通常在由玻璃基板构成的绝缘性基板上,形成相互间隔规定的距离而配置的一对元件电极、和跨过该元件电极之间形成的导电性薄膜,对该导电性薄膜实施通电处理,在该导电性薄膜内形成龟裂,通过在上述元件电极之间施加电压从上述龟裂发射电子。在图像显示装置中,把在绝缘性基板上形成多个该电子发射元件且布线成矩阵状的电子源基板、和利用从该电子发射元件发生的电子的照射而发光的发光部件相对置地配置,构成显示屏。
在这样的电子源基板中,因为电子发射元件的电子发射使绝缘性基板表面的电位不稳定,产生发出的电子束的起动不稳定的问题。而且,如果向绝缘性基板表面注入电子、离子等带电粒子则产生二次电子,尤其是高电场下导致异常放电,所以元件的电子发射特性显著降低,在最恶劣的情况下元件发生破坏,这已被实验确认。为了防止这样的真空中电子发射特性的不稳定性、元件的放电劣化,用适当的高电阻膜覆盖以使得绝缘性的表面不露出是有效的。因此,在现有的电子发射元件中,用具有规定的薄膜电阻的高电阻膜覆盖绝缘性表面实现了防止带静电。(参见专利文献1、2、3)
<专利文献1>日本专利申请特开平8-180801号公报
<专利文献2>日本专利申请特开平11-317149号公报
<专利文献3>日本专利申请特开平02-060024号公报
但是,在包含电子发射元件的整个基板表面上形成高电阻膜时,虽然夹着该高电阻膜在元件电极间流过泄露电流,但有时其电流量出乎意料地大。泄露电流大的主要原因是高电阻膜自身的膜厚控制不好,形成得比所希望的膜厚更厚。高电阻膜的膜厚增大,薄膜电阻降低,则在该高电阻膜自身上流过的非驱动时的低电压时的泄露电流大,存在增大驱动用的驱动器IC的负担的问题。
而且,电子发射元件上的高电阻膜太厚时,其结构也阻碍电子发射。
因此,为了防止带静电而设置高电阻膜时必须精密地控制其膜厚。但是,发现在仅仅进行该高电阻膜的膜厚控制时难以降低泄露电流。
其主要原因是,现在的电子发射元件在其制造工序中,在导电性薄膜上施加电压形成了作为电子发射部的龟裂后,还进行在含有碳化合物的气氛下向该导电性薄膜施加电压的激活工序。由于该激活工序,在龟裂部分附近形成以碳和/或碳化合物为主要成分的碳淀积物,以实现发射电子的增加,但不考虑激活工序的条件而形成上述高电阻膜时,该淀积碳在导电性薄膜端部与高电阻膜层叠,结果象上述那样使得发射部附近的薄膜电阻下降,导致泄露电流的增大。
由于流过这样的泄露电流而产生元件的表观效率下降的问题。在此,元件的效率,指在真空中发射的电流(以下称发射电流Ie)与向表面传导型电子发射元件的一对相对置的元件电极施加电压时流过的电流(以下称元件电流If)的电流比。即,希望元件电流If尽可能小,发射电流Ie尽可能大,但如上所述在覆盖了高电阻膜时,由于高电阻膜导致的泄露电流和元件电流相加,所以效率降低。而且,如果把导电性薄膜和防止带静电膜简单地分离形成,则绝缘性基板的一部分露出,该露出部分带电。尤其是在导电性薄膜附近,特别是电子发射元件附近的带电对从电子发射元件发出的电子的带电的影响大,所以发射的电子的电子轨道容易变形。
发明内容
本发明的目的在于,在上述电子发射元件和使用该电子发射元件的电子源、图像显示装置中,容易形成用于实现电子发射特性稳定化的高电阻膜,防止带电造成的问题,同时通过抑制上述非驱动时的低电压下的微弱的泄露电流、降低驱动器IC的负担,可以使用廉价的驱动器IC、大幅度降低显示屏成本。
为了实现上述目的,本发明通过配置成在电子发射元件的导电性薄膜端部和用于防止带静电的高电阻膜之间设有间隔,且用覆盖电子发射元件的碳膜连接该部分,在获得防止带静电效果的同时,防止微弱的泄露电流的流动。
即,本发明的第1方面是一种电子发射元件,其特征在于包括:绝缘性基板;在该绝缘性基板上配置的一对元件电极;跨过上述一对元件电极之间配置的、在一部分上有龟裂的导电性薄膜;位于从上述导电性薄膜的端部和上述龟裂的交点一直到上述绝缘性基板上的区域、以及上述龟裂部分上的碳膜;以及与上述一对元件电极电连接、覆盖除了离上述导电性薄膜的端部有规定距离的区域以外的绝缘性基板的高电阻膜;上述碳膜与上述高电阻膜接触。
本发明的第2方面是一种电子发射元件的制造方法,其特征在于包括:在绝缘性基板上形成一对元件电极和跨过该一对元件电极之间的导电性薄膜的工序;在上述导电性薄膜上以及从该导电性薄膜的端部到上述绝缘性基板上的一部分上形成疏水膜的工序;在除了上述疏水膜的形成区域之外的上述绝缘性基板上和上述一对元件电极上形成高电阻膜的前体的工序;对形成了上述疏水膜和上述高电阻膜的前体的上述绝缘性基板进行烧制,由该高电阻膜的前体形成与上述导电性薄膜隔有距离的高电阻膜的工序;通过上述一对元件电极对上述导电性薄膜通电,在上述导电性薄膜的一部分上形成龟裂的工序;以及在含有碳的气氛下,通过上述一对元件电极对具有上述龟裂的导电性薄膜通电,在该龟裂部分、以及从该导电性薄膜的端部和该龟裂的交点到上述高电阻膜的上述绝缘性基板上的区域上形成碳膜的工序。
本发明的第3方面是一种电子发射元件的制造方法,其特征在于包括:在绝缘性基板上形成一对元件电极和跨过该一对元件电极之间的导电性薄膜的工序;在上述导电性薄膜上以及从该导电性薄膜的端部到上述绝缘性基板上形成高电阻膜的前体的工序;在形成了上述高电阻膜的前体的绝缘性基板上的上述导电性薄膜形成区域以及从该导电性薄膜的端部到上述绝缘性基板上的一部分区域上形成疏水膜的工序;对形成了上述疏水膜和上述高电阻膜的前体的上述绝缘性基板进行烧制,从该高电阻膜的前体形成与上述导电性薄膜隔有距离的高电阻膜的工序;通过上述一对元件电极对上述导电性薄膜通电,在上述导电性薄膜的一部分上形成龟裂的工序;以及在含有碳的气氛下,通过上述一对元件电极对具有上述龟裂的导电性薄膜通电,在该龟裂部分、以及从该导电性薄膜的端部和该龟裂的交点到上述高电阻膜的上述绝缘性基板上的区域上形成碳膜的工序。
附图说明
图1A、1B是展示本发明的电子发射元件的优选实施方式的示意图。
图2A、2B是展示图1A、1B的电子发射元件的制造工序的示意图。
图3A、3B是展示图1A、1B的电子发射元件的制造工序的示意图。
图4A、4B是展示图1A、1B的电子发射元件的制造工序的示意图。
图5A、5B是展示图1A、1B的电子发射元件的制造工序的示意图。
图6A、6B是展示图1A、1B的电子发射元件的制造工序的示意图。
图7A、7B是展示在本发明的电子发射元件的制造方法中使用的电形成(forming)电压波形的图。
图8A、8B是展示在本发明的电子发射元件的制造方法中使用的激活电压波形的图。
图9是展示本发明的电子源的优选实施方式的制造工序的图。
图10是展示本发明的电子源的优选实施方式的结构的示意图。
图11是展示本发明的电子发射元件的电子发射特性的测定评价装置的结构的示意图。
图12是展示本发明的电子发射元件的电子发射特性的图。
图13是展示本发明的图像显示装置的优选实施方式的显示屏的结构的示意图。
具体实施方式
下面,举出实施方式来说明本发明的电子发射元件、电子源、图像显示装置和它们的制造方法。
图1A、1B是本发明的电子发射元件的优选实施方式的示意图。图2A、2B~图6A、6B是展示其制造工序的示意图。图1A、2A、3A、4A、5A、6A是平面图,图1B、2B、3B、4B、5B、6B分别是图1A、2A、3A、4A、5A、6A的1B-1B、2B-2B、3B-3B、4B-4B、5B-5B、6B-6B剖面图。图中,1是绝缘性基板,2、3是元件电极,4是导电性薄膜,5是在导电性薄膜4上形成的龟裂,6是碳膜,7是高电阻膜,31是疏水膜,41是高电阻膜的前体。下面,以图1A、1B的电子发射元件的制造方法为例,说明本发明的电子发射元件及其制造方法。
<工序1>
在绝缘性基板1上形成跨过元件电极2、3和该元件电极2、3之间配置的导电性薄膜4(图2A、2B)。
作为绝缘性基板1,可以使用石英玻璃、减少了Na等杂质含量的玻璃、碱石灰玻璃、利用溅射法等在碱石灰玻璃上层叠了SiO2的层叠体、氧化铝等的陶瓷及Si基板等。
另外,作为元件电极2、3的材料,可以使用一般的导电材料。这可以从例如Ni、Cr、Au、Mo、W、Pt、Ti、Al、Cu、Pd等金属或合金及Pd、Ag、Au、RuO2、Pd-Ag等的金属或金属氧化物和玻璃等构成的印刷导体、In2O3-SnO2等透明导电体及多晶硅等半导体材料中适当选择。
元件电极间隔L是数十nm至数百μm,是由作为元件电极2、3的基本制法的光刻技术即曝光机的性能和刻蚀方法等以及在元件电极2、3之间施加的电压设定的,优选为数μm至数十μm。
元件电极2、3的长度W2及膜厚可根据电极的电阻值、与布线的接线、配置了多个电子发射元件的电子源的配置上的问题适当设定,通常长度W2为数μm至数百μm,膜厚为数nm至数μm。
作为导电性薄膜4,为了得到良好的电子发射特性,优选是使用由微粒构成的微粒膜。其膜厚,可考虑对电极2、3的台阶覆盖性、电极2、3间的电阻值及后述的电形成条件等进行适当的设定。
另外,因为在元件电极2、3之间流过的元件电流If及发射电流Ie的大小取决于导电性薄膜4的宽度W1,与上述元件电极2、3的形状一样,在电子发射元件的尺寸的限定方面,应设计成为可以得到充分的发射电流。
有时导电性薄膜4的热稳定性支配电子发射特性的寿命,作为导电性薄膜4的材料,优选是使用更高熔点的材料。然而,通常,导电性薄膜4的熔点越高,用于后述的通电形成的功率就必须更大。此外,有时由于结果得到的电子发射部的形态的不同,会出现得到电子发射的施加电压(阈值电压)上升等电子发射特性上的问题。
本发明中,作为导电性薄膜4的材料并不需要熔点特别高的材料,可以选择可以以较小的电形成功率形成良好的电子发射部的材料和形态。
作为满足上述条件的材料的例子,优选是使用Ni、Au、PdO、Pd、Pt等导电材料并以显示出的电阻值为Rs(薄膜电阻)等于1×102~1×107Ω/□的膜厚形成。另外,Rs,是在厚度为t、宽度为w、长度为1的薄膜的长度方向上测定的电阻R在R=Rs(1/w)时显示的值,在电阻率为ρ时,Rs=ρ/t。显示出上述电阻值的膜厚,大约在5nm~50nm的范围内。在该膜厚范围内,优选是各个材料的薄膜具有微粒膜的形态。
在此所述的微粒膜是多个微粒集合而成的膜,其微细结构是,使微粒一个个分散配置的状态或微粒相互邻接或重叠的状态(也包含一些微粒集合起来,在整体上形成岛状结构的场合)。
微粒的粒径在数埃()~数百nm的范围,优选是在1nm~20nm的范围。
此外,在上述例示的材料中,PdO,从由于通过在大气中烧制有机PdO化合物容易形成薄膜;由于是半导体导电性比较低而为了得到在上述范围内的电阻值Rs的膜厚的工艺容限宽;在导电性薄膜4中形成龟裂5之后等,因为可以容易还原而成为金属Pd,所以可以降低膜电阻等等来考虑,是合适的材料。但是,本发明的效果不仅仅限于PdO,也不仅仅上述例示的材料。
作为导电性薄膜4的具体形成方法,例如,可通过在绝缘性基板1上设置的元件电极2和元件电极3之间涂敷有机金属溶液并进行干燥而形成有机金属膜。另外,所谓有机金属溶液是以上述导电性薄膜材料中的Pd、Ni、Au、Pt等的金属为主元素的有机金属化合物的溶液。之后,对有机金属膜进行加热烧制处理,通过去除(lift-off)、刻蚀等进行图形化而形成导电性薄膜4。另外,也可以利用真空蒸镀法、溅射法、CVD法、分散涂敷法、浸渍法、旋转涂敷法、喷墨法形成。
在图1A、1B~图6A、6B中,展示了用喷墨方式在绝缘性基板1上涂敷有机金属溶液进行烧制,形成导电性薄膜4的例子。
<工序2>
用疏水膜31覆盖导电性薄膜4和离该导电性薄膜4的端部有预定距离的区域(图3A、3B)。该疏水膜31是在后面的工序中在绝缘性基板1的整个表面(因此包含元件电极2、3和导电性薄膜4)上赋予高电阻膜材料41时,排斥除去该高电阻膜材料41的部件。具体地,可以使用具有疏水性的二甲基二硅烷、二乙基乙氧基硅烷等的硅烷耦合材料。
作为疏水膜31的形成方法,虽未特别限定,但可以与导电性薄膜4同样地使用喷墨方式。疏水膜31形成为包含离导电性薄膜4的端部0.5~10μm左右的区域(W3=W1+1~20μm)。
<工序3>
在绝缘性基板1的整个表面上赋予高电阻膜的前体41。此时,由于在导电性薄膜4和包含离该导电性薄膜4的端部有规定距离的区域上形成疏水膜31,该疏水膜31上的高电阻膜的前体41被排斥(图4A、4B)。
作为高电阻膜7的材料,容易且在大面积上得到均匀的膜的材料是优选的,碳材料或在氧化硅等中分散有氧化锡、氧化铬等的金属氧化物或导电性材料的产物是优选的。另外,作为高电阻膜的前体41的赋予方法,优选地使用喷涂法、旋涂法、滴涂法等。
另外,在本发明中即使交换<工序2>和<工序3>也可以得到图4A、4B的形态。即,在形成导电性薄膜4后,在绝缘性基板1的整个表面上赋予高电阻膜的前体41,然后,如果在导电性薄膜4上以喷墨方式赋予疏水膜31的材料溶液,则该材料溶液挤押除去导电性薄膜4上的高电阻膜的前体41,可以得到该疏水膜31的材料溶液覆盖导电性薄膜4的形态。
<工序4>
在250℃~400℃左右的温度下干燥、烧制高电阻膜的前体41,形成高电阻膜7(图5A、5B)。此时,疏水膜31因烧制而消失,在曾具有疏水膜31的区域上形成不存在高电阻膜7的区域51。本发明中使用的高电阻膜7的薄膜电阻优选为1×108~1×1012Ω/□左右。
<工序5>
在还原气氛中,在元件电极2、3间进行被称为电形成的通电处理,形成龟裂5(图6A、6B)。电形成,是通过在元件电极2、3之间施加电压,使导电性薄膜4局部地破坏、变形或变质,形成电气高阻状态的电子发射部的工序。此时,如果在还原气氛下,例如含有若干氢气的真空气氛下通电加热,则由氢促进导电性薄膜4的还原。例如,在导电性薄膜4用PdO形成时,变成Pd膜。而且在还原变化时,由于膜的还原收缩在一部分上形成龟裂5。
在本发明中,由于高电阻膜7不与导电性薄膜4的端部(外周)相接,由电形成得到的龟裂5可靠地到达导电性薄膜4的端部,不发生切割残留(uncut)现象。所谓切割残留现象,是在象现有的高电阻膜7那样也在导电性薄膜上层叠,高电阻膜7与该导电性薄膜4的端部相接时,容易发生的现象,指在电形成时导电性薄膜4由于施加电压和导入氢在真空中还原同时形成龟裂5的过程中,由于在导电性薄膜4的端部发生还原不良而该龟裂不能一直形成到端部的现象。如果产生这样的切割残留现象,则在驱动时在该部分上流过泄露电流。
另外,电形成处理以后的电气处理在适当的真空装置内进行。
电形成处理,有施加脉冲波高值为固定电压的脉冲的方法和在增加脉冲波高值的同时施加电压脉冲的方法。首先,在图7A中示出施加脉冲电压波高值为固定电压的脉冲时的电压波形。
在图7A中,T1及T2是电压波形的脉冲宽度和脉冲间隔,在设定T1为1μsec~10msec、T2为10μsec~100msec时,三角波的波高值(电形成时的峰值电压)可适当选择。
之后,图7B示出在增加脉冲波高值的同时,施加电压脉冲时的电压波形。
在图7B中,T1及T2是电压波形的脉冲宽度和脉冲间隔,在设定T1为1μsec~10msec、T2为10μsec~100msec时,三角波的波高值(电形成时的峰值电压)以每次例如大约1V的台阶(步长)增加。
另外,对于电形成处理的结束,可通过在电形成用脉冲之间插入不使导电性薄膜4产生局部破坏、变形的电压例如0.1V左右的脉冲电压时测定元件电流,求出电阻值,在显示出电阻大于等于处理前的电阻的1000倍时,就可以使电形成结束。
在以上说明的龟裂5形成时,是在元件电极2、3上施加三角波脉冲进行电形成处理,但施加于元件电极2、3之间的波形并不限定于三角形,也可以使用矩形波等所希望的波形,其波高值及脉冲宽度、脉冲间隔等也不限定于上述的值,可根据电子发射元件的电阻值适当进行选择,以便很好地形成龟裂5。
对结束了电形成的元件实施激活处理。激活处理是在包含碳化合物气体的气氛的适当的真空度的基础上,在元件电极2、3之间施加电压进行,并且通过这一处理,从存在于气氛中的碳化合物在导电薄膜的龟裂5内淀积以碳或碳化合物为主要成分的碳膜6,同时,从该龟裂5和导电性薄膜4的端部的交点向着高电阻膜7淀积碳膜6,由该碳膜6连接导电性薄膜4和高电阻膜7。
此处所谓的碳和/或碳化合物,例如,是石墨(指的是包含所谓的HOPG(高结晶取向热解石墨)、PG(热解石墨)、GC(玻璃碳)等的材料,HOPG几乎是完全的石墨的结晶结构,PG的晶粒为20nm左右其结晶结构稍乱,GC的晶粒为2nm左右其结晶结构更乱)以及非晶碳(指的是无定形碳及无定形碳和上述石墨的微晶的混合物)。
作为在激活工序中使用的适当的碳化合物,可以列举的有链烷、链烯、炔烃的脂肪族碳化氢类,芳香族碳化氢类,醇类,醛类,酮类,胺类,酚类,香芹酮、磺酸等有机酸类等,具体言之,可使用甲烷、乙烷、丙烷等以CnH2n+2表示的饱和碳化氢,乙烯、丙烯等以CnH2n表示的不饱和碳化氢,苯、甲苯、甲醇、乙醇、甲醛、乙醛、丙酮、丁酮、甲胺、乙胺、苯酚、苯基氰(benzonitrile)、苄基氰(tolunitrile)、甲酸、乙酸、丙酸等或其混合物。
图8A、8B示出本工序中使用的电压波形。施加电压的最大值优选是在10~24V的范围内选择。图8A中,T1是施加电压的脉冲宽度,T2是脉冲间隔,电压值设定成正负绝对值相等。而在图8B中,T1及T1’分别为施加电压的正和负的脉冲宽度,T2是脉冲间隔,设定为T1>T1’,电压值的正负绝对值相等。另外,由激活时的电压波形、施加时间的调整、碳素气氛等的诸条件决定碳膜的淀积状态(淀积区域、厚度等)。在本发明中,通过按所希望的控制激活条件,也可能会用碳膜把导电性薄膜4和高电阻膜7连接起来,但由于激活的条件设定成为了获得所希望的电子发射量,优选地,把疏水膜31的形成区域决定成与由激活形成的碳的区域相对应。
在本工序中得到的碳膜6,如果用薄膜电阻换算则与高电阻膜7的薄膜电阻大致相同,为1×108~1×1012Ω/□。另外,作为把导电性薄膜4的端部和高电阻膜7相连的碳膜6的膜厚,优选为2~50mm左右。
优选地,对如上制作的电子发射元件,进行稳定化工序。此工序是排出真空容器内的有机物质的工序。使真空容器排气的真空排气装置可利用不使用油的装置,以使元件的特性不会受到从装置产生的油的影响。具体言之,可以列举的真空排气装置有吸气泵、离子泵等。
在上述激活工序中用油扩散泵作为排气装置,在利用了来自由此产生的油成分的有机物质气体时,必须尽量降低该成分的分压。真空容器内的有机物质成分的分压为上述碳和碳化合物基本上不再重新淀积的分压,优选是小于等于1.3×10-6Pa,更优选是小于等于1.3×10-8Pa。此外,在从真空容器排气时,碳化合物易于排出。此时的加热条件为在80~200℃下进行≥5小时为好,并不特别限定于这一条件,可根据真空容器的大小及形状、电子发射元件的结构等诸条件选择合适的条件进行。必须尽量降低真空容器内的压力,优选为≤1.3×10-5Pa,更优选为≤1.3×10-6Pa。
进行稳定化工序之后的气氛,优选是维持上述稳定化处理结束时的气氛,但也并不限定于此,只要是能够充分去除碳化合物,压力本身即使是多少高一些,也可以维持充分稳定的特性。通过采用这种真空气氛,可以抑制新的碳或碳化合物的淀积,结果元件电流If及发射电流Ie稳定。
用图11、图12说明本发明的电子发射元件的基本特性。
图11是用来测定本发明的电子发射元件的电子发射特性的测定评价装置的概略图。图中,111是对元件施加元件电压Vf用的电源,110是测定流过包含元件电极2、3之间的电子发射部的导电性薄膜的元件电流If用的电流计,114是捕捉从元件的电子发射部发射的发射电流Ie用的电流计,113是对阳极114施加电压用的高压电源,112是测定从元件的龟裂5发射的发射电流Ie用的电流计。
本发明的电子发射元件及阳极114设置在真空装置115内,该真空装置中具备排气泵116及未图示的真空计等真空装置所必需的机器,在所要求的真空下对本元件进行测定评价。另外,阳极114的电压为1kV~10kV,阳极114和电子发射元件的距离H在2mm~8mm的范围中测定。
图12展示了用图11所示的测定评价装置测定的发射电流Ie、元件电流If和元件电压Vf的关系的典型例子。另外,虽然发射电流Ie和元件电流If的大小大大不同,为了在图12中是对If、Ie的变化定性地比较分析,以线性刻度(linear scale)用任意单位表记纵轴。
根据本发明,将多个的电子发射元件排列在基板上可以构成电子源,并且将该电子源和由于从电子发射元件发射的电子引起发光的发光部件组合可以构成图像显示装置。
图10展示了本发明的电子源的优选实施方式的平面示意图,图中,91是电子源基板(相当于图1A、1B中的绝缘性基板1),92是列方向布线(Y方向布线)、93是层间绝缘层,94是行方向布线(X方向布线)。
本发明的电子源的制造方法,基本上与前面说明过的本发明的电子发射元件的制造方法相同,如图9所示,在绝缘性的电子源基板91上形成多个由元件电极2、3构成的电极对后,分别形成在每列中与元件电极3共同连接的列方向布线92、用来把列方向布线92和行方向布线94电气绝缘的层间绝缘层93、在每行中与元件电极2共同连接的行方向布线94,然后,用图2A、2B、3A、3B的工序在各电极对上形成导电性薄膜4(形成单元),形成覆盖该导电性薄膜4的疏水膜31。列方向布线92行方向布线94借助真空蒸镀法、印刷法、溅射法等形成,由作为所要求的图形的导电金属等构成。材料、膜厚、宽度设定为向多个电子发射元件提供大致均匀的电压。
然后,用图5A、5B、6A、6B所示的工序,向基板91上赋予高电阻膜的前体41、烧制,如图10所示,用高电阻膜7覆盖除了用疏水膜31除去了的区域,即各单元的包含导电性薄膜4和离该导电性薄膜4的端部有规定距离的区域,以外的基板91、元件电极2、3,还有布线92、94。
图13展示了利用这样制造的电子源的图像显示装置优选实施方式。图13为示出图像显示装置的显示屏的部分剖开的基本构成的示意斜视图。在图13中,132是固定了电子源基体91的背板,131是在玻璃基板136的内表面上形成荧光膜137和金属背138等的面板。133是支持框,134是隔板,139是电子发射元件。另外,为了方便起见,省略了电子源基板91上的高电阻膜。在图13的显示屏中,通过涂敷玻璃熔料(frit glass)将背板132、支持框133和面板131在大气中或在氮气中在400~500℃的温度范围中烧制大于等于10分钟进行封接而构成外管壳。
外管壳,如上所述,由面板131、支持框133及背板132构成,背板132,由于主要是为了增强电子源基板91的强度的目的而设置的,所以在基板91本身具有充分的强度时,可以不需要额外的背板132,也可以直接将支持框133封接到基板91上,由面板131、支持框133及基板91构成外管壳。
在图13的显示屏中,通过在面板131和背板132之间设置称为隔离物134的未图示的支持体,构成具有抵抗大气压力的充分强度的外管壳。
在面板131上,为了提高荧光膜137的导电性,也可以在荧光膜137的外表面侧设置透明电极(未图示)。
外管壳,在通过未图示的排气管使真空度达到1.3×10-5Pa左右之后进行封接。另外,为了维持外管壳封接后的真空度,有时也进行吸气剂处理。这是在进行外管壳的封接紧前或紧后,利用电阻加热或高频加热等加热法,对配置于外管壳内的规定位置的吸气剂(未图示)进行加热而形成蒸镀膜的一种处理。吸气剂通常是以Ba等为主要成分,利用该蒸镀膜的吸附作用,例如,维持1.3×10-3Pa~1.3×10-5Pa的真空度。
在以如上方式完成的图像显示装置中,在各电子发射元件139上,通过从容器外端子Dx1~Dxm、Dy1~Dyn对行方向布线94及列方向布线92施加电压,使电子发射,通过高压端子Hv,对金属背138或透明电极(未图示)施加大于等于数kV的高压,加速电子,撞击荧光膜137,通过激发发光而显示图像。
另外,上述的构成是为了制作显示等中使用的合适的图像显示装置需要的概略结构,例如各部件的材料等,详细的部分并不限于上述内容,可根据图像显示装置的用途适当选择。
(实施例1)
根据图2A、2B~图6A、6B所示的工序制作图10所示的结构的电子源。
作为电子源基板91,使用碱性成分少的PD-200(旭玻璃(株)社制)的2.8mm厚的玻璃,并在其上涂敷烧制100nm的SiO2膜作为钠阻挡层。
此外,在上述基板91上,利用溅射法首先形成5nm的Ti层作为底涂层,再在其上形成40nm厚的Pt膜之后,涂敷光刻胶并利用曝光、显影、刻蚀一系列的光刻法工艺形成图形,形成了元件电极2、3。
用Ag浆料(制)通过丝网印刷法印刷与元件电极3相接的厚度约10μm、线宽50μm的线(line)状的图形,然后在580℃下烧制8分钟,形成了列方向布线92。
然后,为了使行方向布线94和列方向布线92绝缘形成了层间绝缘层93。在本例中,作为浆料材料使用以PdO为主成分且混合了玻璃粘合剂的产物,与列方向布线92同样地用丝网印刷法印刷,为了确保绝缘层反复两次进行了580℃、8分钟的烧制工序,该层间绝缘层93的厚度约30μm、线宽150μm。此时,在绝缘层93上形成了接触孔以使得行方向布线94和元件电极2可以接触。
在上述绝缘层93上,用与列方向布线同样的Ag浆料通过丝网印刷法印刷与元件电极2相接的线状的图案,在480℃下烧制10分钟,形成了行方向布线94。布线的厚度约15μm。
虽然未图示,但引出到外部驱动电路的引出端子也用与此相同的方法形成。
在元件电极2、3之间用喷墨涂敷方法形成了导电性薄膜4。在本工序中,为了补偿基板91上的各元件电极2、3的平面的偏差,观测基板91上的几处的图形的配置偏离,基于观测结果,通过涂敷包含导电性薄膜材料的溶液,对于全部象素可以不会有位置偏离地在对应的位置上可靠地涂敷。
本例中,为了得到Pd膜作为导电性薄膜4,首先在水85质量%:异丙醇(IPA)15质量%组成的水溶液中溶解钯-脯氨酸络合物0.15质量%,得到含有有机钯的溶液。再添加若干其他添加剂。
将此溶液的液滴,利用使用压电元件的喷墨装置作为液滴赋予装置,调整液滴量使得点径为60μm,赋予到元件电极2、3之间。之后,将该基板91在空气中在350℃下进行30分钟的加热烧制处理而使其成为氧化钯(PdO)。得到了烧制完成后的点径约60μm,厚度最大为10μm的导电性薄膜4。
然后,在导电性薄膜4上再用喷墨法形成了疏水膜31。作为墨剂,使用硅烷耦合材料(DDS),形成了从导电性薄膜4的端部展宽了1.5μm的直径63μm的大小。
作为高电阻膜的前体41,通过喷涂,在基板91的整个表面上均匀地涂敷了分散有氧化锡的微粒的微粒分散型溶液。此时,在疏水膜31上高电阻膜的前体41被排斥。把被涂敷了的高电阻膜的前体41在380℃下进行30分钟的干燥、烧制,得到了高电阻膜7。另外,疏水膜31由于烘烤的热而几乎都消失了。得到的高电阻膜7的阻抗为,薄膜电阻是1.2×1010Ω/□。
在导入了若干氢的还原气氛中,在图7A的电压波形下,设定T1为1msec,T2为80msec,进行电形成处理。电形成处理的结束,是在电形成用脉冲之间插入使导电性薄膜不会局部破坏、变形程度的电压,例如0.1V程度的脉冲电压,测定元件电流,求出电阻值,在表现出相对于电形成处理前的电阻为1000倍以上的电阻的时刻,使电形成结束。
在本例中,通过上述的电形成处理,在导电性薄膜4上形成了从端部到端部无切割残留现象的龟裂5。
接着,进行了激活工序。采用苄基氰(tolunitrile)作为碳源通过缓泄阀导入到真空空间内,维持1.3×10-4Pa。在此状态下,用如图8A所示的波形,设T1为1msec、T2为20msec、电压值的绝对值为22V进行了电压脉冲施加,淀积了碳膜6,使其从导电性薄膜4的端部和龟裂5(图1A和1B)的交点到高电阻膜7。在电压脉冲施加开始约60分钟后,在元件电流If大致饱和的时刻,停止通电,关闭缓泄阀,结束了激活工序。
从对得到的碳膜6的样品进行分析后的结果可以看出,导电性薄膜4和高电阻膜7之间的碳膜6如果换算成薄膜电阻,则基本上与高电阻膜相同,具有1.0×1010Ω/□的薄膜电阻。另外,碳膜的厚度为15nm左右。
用图11的测定评价装置评价了本例的电子源的电子发射特性。以在元件电极2、3之间施加的电压为17V作为标准电压进行了测定。此时的行方向布线94侧的扫描线电压为-11V,列方向布线92侧的信号线电压为+6V。以在阳极114和电子源之间施加的电压Va为1kV测定的结果是,If=1mA、Ie=1.2μA、效率=0.12%。在这时未被选择的元件上作为非选择电压施加了6V。从图12所示的I-V特性曲线可以看出,即使在施加非选择电压时在元件上也流出元件电流If,在驱动器IC中该非选择电流按非选择元素的数目流动。
在本例那样的导电性薄膜4和高电阻膜7之间有距离的电子源中,即使在非选择的电子发射元件上施加6V时,其泄露电流不大于0.1μA,非常微弱,对于驱动器IC的负载几乎没有影响。
同时,测量了以电子发射效率的变化代表的电子发射元件附近的带电状态,但没有观察到带电造成的效率变化,也没有观察到放电造成的元件损坏。
(实施例2)
在本实施例中,除了在形成导电性薄膜4后,先在基板91的整个表面上涂敷高电阻膜的前体41,然后在各单元的导电性薄膜4上用喷墨方式赋予疏水膜31的材料溶液,除去该导电性薄膜4上的高电阻膜的前体41以外,与实施例1同样地制作了电子源。
得到的电子源,在各电子发射元件中,形成了从导电性薄膜的端部和龟裂5的交点到高电阻膜7的碳膜6,高电阻膜7和碳膜6的阻抗与实施例1相同。另外,与实施例1同样地评价了得到的电子源的电子发射特性,得到了与实施例1同样的结果。
(比较例)
除了不形成疏水膜31,用喷涂法在基板91的整个表面上形成高电阻膜7以外,与实施例1同样地制作了电子源。用SEM(扫描型电子显微镜)观察了电形成后的电子发射元件,龟裂5没有一直形成到导电性薄膜4的端部,而是发生了所谓的切割残留状态。另外,用SEM观察了激活后的电子发射元件,在导电性薄膜4的端部,在高电阻膜7上淀积了大量的由激活生成的碳。与实施例1同样地评价了得到的电子源的电子发射特性,非选择时流动的泄露电流在初期到达了1~2mA/线,随着驱动而继续上升,最终超过驱动用驱动器IC的容量,在构成显示屏时产生大量暗线。
发明效果
如上所述,本发明的电子发射元件中,由于在导电性薄膜上没有高电阻膜,在导电性薄膜上没有龟裂的切割残留,得到了良好的电子发射特性。另外,由于导电性薄膜和高电阻膜用碳膜连接,得到了与现有技术同样良好的防止带静电效果,防止了由该带静电引起的放电导致的元件破坏。而且,通过在龟裂的纵向的端部上,在导电性薄膜上没有高电阻膜,防止了泄露电流的发生,也减轻了泄露电流对驱动器IC带来的负担。
在本发明中,还可以通过把上述碳的附着量管理成适当的值,同时实现防止带静电和降低非选择电流这两者。
因此,在本发明中提供了同时防止(1)非选择的电子发射元件中流动的泄露电流、(2)电子发射元件的不需要的带电、(3)电子发射部即龟裂的形成不良,且即使长时间显示也没有画质的劣化和电子发射元件的损伤的、可靠性高的图像显示装置。
Claims (8)
1.一种电子发射元件,其特征在于包括:
绝缘性基板;
在该绝缘性基板上配置的一对元件电极;
跨过上述一对元件电极之间配置的、在一部分上有龟裂的导电性薄膜;
位于从上述导电性薄膜的端部和上述龟裂的交点一直到上述绝缘性基板上的区域、以及上述龟裂部分上的碳膜;以及
与上述一对元件电极电连接、覆盖除了离上述导电性薄膜的端部有规定距离的区域以外的绝缘性基板的高电阻膜;
上述碳膜与上述高电阻膜接触。
2.如权利要求1所述的电子发射元件,其特征在于:
上述高电阻膜的薄膜电阻为1×108~1×1012Ω/□。
3.如权利要求1所述的电子发射元件,其特征在于:
上述碳膜的薄膜电阻为1×108~1×1012Ω/□。
4.如权利要求1所述的电子发射元件,其特征在于:
上述碳膜的厚度为≤50nm。
5.一种电子源,在绝缘性基板上具有多个电子发射元件和连接该电子发射元件的布线,其特征在于:上述电子发射元件是如权利要求1所述的电子发射元件。
6.一种图像显示装置,包括:在绝缘性基板上具有多个电子发射元件和连接该电子发射元件的布线的电子源、以及利用从上述电子发射元件发射的电子的照射而发光的发光部件,其特征在于:上述电子源是如权利要求5所述的电子源。
7.一种电子发射元件的制造方法,其特征在于包括:
在绝缘性基板上形成一对元件电极和跨过该一对元件电极之间的导电性薄膜的工序;
在上述导电性薄膜上以及从该导电性薄膜的端部到上述绝缘性基板上的一部分上形成疏水膜的工序;
在除了上述疏水膜的形成区域之外的上述绝缘性基板上和上述一对元件电极上形成高电阻膜的前体的工序;
对形成了上述疏水膜和上述高电阻膜的前体的上述绝缘性基板进行烧制,由该高电阻膜的前体形成与上述导电性薄膜隔有距离的高电阻膜的工序;
通过上述一对元件电极对上述导电性薄膜通电,在上述导电性薄膜的一部分上形成龟裂的工序;以及
在含有碳的气氛下,通过上述一对元件电极对具有上述龟裂的导电性薄膜通电,在该龟裂部分、以及从该导电性薄膜的端部和该龟裂的交点到上述高电阻膜的上述绝缘性基板上的区域上形成碳膜的工序。
8.一种电子发射元件的制造方法,其特征在于包括:
在绝缘性基板上形成一对元件电极和跨过该一对元件电极之间的导电性薄膜的工序;
在上述导电性薄膜上以及从该导电性薄膜的端部到上述绝缘性基板上形成高电阻膜的前体的工序;
在形成了上述高电阻膜的前体的绝缘性基板上的、上述导电性薄膜形成区域以及从该导电性薄膜的端部到上述绝缘性基板上的一部分区域上形成疏水膜的工序;
对形成了上述疏水膜和上述高电阻膜的前体的上述绝缘性基板进行烧制,由该高电阻膜的前体形成与上述导电性薄膜隔有距离的高电阻膜的工序;
通过上述一对元件电极对上述导电性薄膜通电,在上述导电性薄膜的一部分上形成龟裂的工序;以及
在含有碳的气氛下,通过上述一对元件电极对具有上述龟裂的导电性薄膜通电,在该龟裂部分、以及从该导电性薄膜的端部和该龟裂的交点到上述高电阻膜的上述绝缘性基板上的区域上形成碳膜的工序。
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