JP2002157952A

JP2002157952A - 冷陰極形成方法、及び電子放出素子並びにその応用デバイス

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Publication number: JP2002157952A
Application number: JP2000352324A
Authority: JP
Inventors: Yuka Yamada; 由佳山田; Takehito Yoshida; 岳人吉田; Nobuyasu Suzuki; 信靖鈴木; Toshiharu Makino; 俊晴牧野; Yoshikazu Hori; 義和堀
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2002-05-31
Anticipated expiration: 2020-11-20
Also published as: US20040095061A1; EP1209716A2; US20020061694A1; US6726517B2; JP3542031B2; EP1209716A3

Abstract

(57)【要約】【課題】電子放出素子の形成において、簡単な工程で
均一にかつ再現性良く陰極表面に微構造を形成し、放出
電流値の増大と安定化を図ること。【解決手段】電子放出素子において、電子放出部を、
ターゲット材にレーザ光を照射して、ターゲット材から
の脱離・射出物質を対向基板に堆積させて薄膜を形成す
るレーザアブレーション法を用い、電子放出性材料の結
晶配向性薄膜を自己整合的に形成させて成る薄膜状電子
源とする。この構成により、従来より簡単な構成で、電
子放出しきい値の低下、放出電流値の増大と安定化を実
現するとともに、低コスト化を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平面型の固体表示
素子等への応用が期待される電子放出源に関し、特に、
集積化及び低電圧化が実現可能な冷陰極型電子放出素子
及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子放出源としては熱陰極型電子
放出素子が多く用いられていたが、熱電極を利用した電
子放出は加熱によるエネルギーロスが大きく、予備加熱
が必要等の問題を有していた。

【０００３】これに対し、真空マイクロエレクトロニク
ス技術の進展とともに、微小な冷陰極構造の形成が可能
になったことから、冷陰極型電子放出素子が注目されて
いる。その中でも、局部的に高電界を発生させ電界放出
を行わせる、電界効果型の電子放出素子の開発が盛んに
なりつつある。

【０００４】第９図は、従来の電界効果型の電子放出素
子の一例を示す概略的部分断面図である。本図におい
て、９１はシリコン（Ｓｉ）等の基板、９２は基板９１
上に形成されたＳｉＯ₂等の絶縁層、９３は金属層から
成る引き出し電極であり、９４はモリブデン（Ｍｏ）等
から成る円錐形状の電極である。

【０００５】以上の構造を有する電子放出素子におい
て、基板９１と引き出し電極９３との間に電圧を印加す
ると、電界強度の強い電極９４の尖頭部から電子が放出
される。

【０００６】さらに、従来より低い駆動電圧で動作可能
な高性能な電子源を実現するために、ＬＳＩ技術を応用
してゲート口径の縮小化や急峻な先端を有する陰極の作
製等のアプローチが行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
電子放出素子は、微少な径を持ちかつ急峻な先端部を有
するコーン形状の陰極を備えているために低い電圧での
動作は可能であるが、以下に説明するような問題を有し
ている。

【０００８】まず、電子放出材料としては、電子放出し
きい値が低い（電子親和力が小さい）物質が適してお
り、Ｗ、Ｍｏ等の金属や窒化物、酸化物等が検討されて
いる。しかしながら、従来の作製方法では、高純度なコ
ーン形状の加工が可能な材料は限られていた。

【０００９】また、電子源を実用化する上で要求される
重要な性能の一つに、電子放出安定性、均一性がある。
従来例では、陰極の放出電流は、動作時の真空雰囲気や
陰極先端部の表面状態に強く影響を受け、電流放出中に
電流放出部の表面の物性的性質、例えば仕事関数等が変
化してしまい、結果的に動作電流が大幅に変化してしま
い、前記要求性能を満たしていなかった。これは、動作
中に放出電子が陰極近傍の残留ガスと衝突してイオンを
発生させ、このイオンが陰極先端部に衝突することによ
って陰極先端部の表面状態を変化させて発生すると考え
られている。

【００１０】これらの電流変動を抑制するために、陰極
を複数個同時に配列したマルチ電子源として、個々の電
子放出変動を平均化して放出電流を安定化させる方法等
が提案されているが、従来の電子放出素子では、円錐形
状を製造する工程が複雑であり、またその形状のバラツ
キが大きいため、実用上の大きな課題となっていた。

【００１１】さらに、このような電界放出型電子源をＣ
ＲＴ用電子源として用いることが検討されているが、ハ
イビジョンでは、高精細のため電子線を細くしたいが、
輝度が落ちるため、輝度と精細度はトレイドオフの関係
になるという課題があった。

【００１２】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、簡単な工程で均一にかつ再現性よく陰極表面に微
構造を形成し、放出電流値の増大と安定化を図るように
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の冷陰極形成方法は、ターゲット材及び基板
を反応室内に配置し、前記ターゲット材にビーム光を照
射することにより前記ターゲット材近傍に形成される高
温高圧領域のサイズが最適となるように、前記反応室に
導入する雰囲気ガスの圧力及び、前記基板と前記ターゲ
ット材との間の距離を調整し、前記反応室に前記圧力で
前記雰囲気ガスを導入しながら、前記ターゲット材にビ
ーム光を照射することにより励起し、脱離した前記ター
ゲット材に含まれる物質を前記基板上に堆積して冷陰極
を形成する。この構成により、製造工程の簡略化と低コ
スト化を図ることができるだけでなく、自己整合型結晶
構造を得ることができる。

【００１４】また、本発明の電子放出素子は、電子放出
部が、上述の冷陰極形成方法により形成された、電子放
出性材料の結晶配向性薄膜から成る冷陰極から構成され
ている。この構成により、従来より簡単な構成で、電子
放出しきい値の低下、放出電流値の増大と安定化を実現
するとともに、低コスト化を図ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、ターゲット材及び基板を反応室内に配置する工程
と、前記ターゲット材にビーム光を照射することにより
前記ターゲット材近傍に形成される高温高圧領域のサイ
ズが最適となるように、前記反応室に導入する雰囲気ガ
スの圧力（Ｐ）及び、前記基板と前記ターゲット材との
間の距離（Ｄ）を調整する工程と、前記反応室に前記圧
力で前記雰囲気ガスを導入しながら、前記ターゲット材
にビーム光を照射することにより励起し、脱離した前記
ターゲット材に含まれる物質を前記基板上に堆積する工
程と、を具備することを特徴とする冷陰極形成方法であ
る。

【００１６】本発明の請求項２に記載の発明は、請求項
１において、前記雰囲気ガスの圧力（Ｐ）及び、前記基
板と前記ターゲット材との間の距離（Ｄ）は、ＰＤⁿ＝
一定（ｎは２〜３程度）にしたがって調整される方法で
ある。

【００１７】これらの方法によれば、レーザ照射により
ターゲットから射出した物質（主に原子・イオン・クラ
スター）と不活性ガスとの相互作用（衝突、散乱、閉じ
込め効果）の最適化により、化学量論組成の保たれた薄
膜を自己整合型結晶構造として得ることができる。

【００１８】本発明の請求項３に記載の発明は、請求項
１または２において、前記雰囲気ガスが、不活性ガスで
ある方法である。この方法によれば、酸化性ガスを導入
することなく冷陰極を形成することができる。

【００１９】本発明の請求項４に記載の発明は、請求項
１から３のいずれかにおいて、前記雰囲気ガスの圧力
が、０．１〜１０Ｔｏｒｒの範囲である方法である。こ
の方法によれば、ターゲット材と同一組成の薄膜を好適
に形成することができる。本発明の請求項５に記載の発
明は、請求項１から４のいずれかに記載の冷陰極形成方
法において、前記ターゲット材を構成する材料が、少な
くても２種類以上の組成から成る方法である。

【００２０】ここで、ターゲット材を構成する材料は、
請求項６記載のように、ＬａＢ₆、ＴｉＣ、ＳｉＣ、及
びＳｎＣ等の化合物であることが好ましい。あるいは、
請求項７記載のように、ＴｉＮ、ＢＮ、ＳｒＮ、Ｚｒ
Ｎ、及びＨｆＮに代表される窒化物であってもよく、請
求項８記載のように、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、ＩＴＯ、
ＺｎＯ、ＴｉＯ₂、ＷＯ₃、及びＣｕＡｌＯ₂からなる
群より選ばれた透明導電体であってもよい。

【００２１】本発明の請求項９に記載の発明は、電子放
出部が、請求項１から８のいずれかに記載の方法で形成
された、電子放出性材料の結晶配向性薄膜から成る冷陰
極から構成されることを特徴とする電子放出素子であ
る。この構成により、従来より簡単な構成で、電子放出
しきい値の低下、放出電流値の増大と安定化を実現する
とともに、低コスト化を図ることができる。

【００２２】本発明の請求項１０に記載の発明は、電子
放出部が、請求項１から８のいずれかに記載の方法で形
成された、電子放出性材料の結晶配向性薄膜から成り、
導電膜または抵抗膜から成る干渉層を介して基板上に形
成されていることを特徴とする電子放出素子である。こ
の構成により、従来より簡単な構成で、電子放出しきい
値の低下、放出電流値の増大と安定化を実現するととも
に、低コスト化を図ることができる。

【００２３】ここで、冷陰極を構成する結晶配向性薄膜
は、請求項１１記載のように、ＬａＢ₆、ＴｉＣ、Ｓｉ
Ｃ、及びＳｎＣ等の化合物であることが好ましい。ある
いは、請求項１２記載のように、ＴｉＮ、ＢＮ、Ｓｒ
Ｎ、ＺｒＮ、及びＨｆＮに代表される窒化物であっても
よい。

【００２４】本発明の請求項１３に記載の発明は、請求
項９から１２のいずれかに記載の電子放出素子を電子源
としたことを特徴とするＣＲＴである。この構成によ
り、高輝度かつ高精細なハイビジョン用ＣＲＴが可能と
なる。

【００２５】本発明の請求項１４に記載の発明は、請求
項９から１２のいずれかに記載の電子放出素子を電子源
としたことを特徴とする平面ディスプレイである。この
構成により、平面ディスプレイの低コスト化を図ること
ができる。

【００２６】本発明の請求項１５に記載の発明は、透明
基板と、前記透明基板上に、請求項１から８のいずれか
に記載の方法で形成された、電子放出性材料の結晶配向
性薄膜から成る冷陰極とを備えている電子放出型素子で
ある。

【００２７】本発明の請求項１６に記載の発明は、透明
基板と、前記透明基板上に、請求項１から８のいずれか
に記載の方法で形成された、電子放出性材料の結晶配向
性薄膜から成り、導電膜または抵抗膜から成る干渉層を
介して基板上に形成されている電子放出型素子である。

【００２８】ここで、冷陰極を構成する結晶配向性薄膜
は、請求項１７記載のように、Ｉｎ ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、
ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂、ＷＯ₃、及びＣｕＡｌＯ₂
からなる群より選ばれた透明導電体であることが望まし
い。

【００２９】本発明の請求項１８に記載の発明は、請求
項１５から１７のいずれかに記載の電子放出素子を電子
源としたことを特徴とする透過型平面ディスプレイであ
る。この構成により、高輝度かつ高精細な透過型平面デ
ィスプレイの実現が可能となる。

【００３０】（実施の形態１）以下、本発明の電子放出
素子及びその形成方法を、図１から図５を用いて詳細に
説明する。

【００３１】図１は、本発明の電子放出素子の構造を示
す断面図である。図１において、１１はＳｉ等の基板、
１２は基板１１上に形成されたＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃等
の酸化膜の絶縁層、１３はＭｏ等の金属層から成る引き
出し電極であり、１４は開口部の基板１１の上に形成さ
れた結晶配向性薄膜である。この結晶配向性薄膜１４
は、電子放出性材料から構成することにより、基板１１
と引き出し電極１３との間に電圧を印加することによ
り、容易に電子を放出する。この電子放出は、方向の揃
った微細構造部分から行われるため、マルチソースであ
りかつ電子の方向性が揃った冷陰極となる。この結果、
電流密度を増大させるとともに、安定化することがで
き、たとえば、高輝度かつ高精細を要求されるハイビジ
ョン用電子源等として用いることができる。

【００３２】次に、図１に示した電界放出素子におい
て、冷陰極となる結晶配向性薄膜の形成方法について説
明する。本実施の形態では、希ガス（Ａｒ，Ｈｅ等）雰
囲気中におけるレーザアブレーションを用いて基板上に
酸化物透明導電体薄膜を堆積させる。なお、レーザアブ
レーション法とは、高いエネルギー密度（パルスエネル
ギー：１．０Ｊ／ｃｍ²程度又はそれ以上）のレーザ光
をターゲット材に照射し、被照射ターゲット材表面を溶
融・脱離させる方法である。

【００３３】この方法の特徴は、非熱平衡性及び無質量
性プロセスであることにある。非熱平衡性における具体
的効果としては、空間的・時間的選択励起が可能である
ことが挙げられる。特に、空間的選択励起性を有するこ
とから、従来の熱プロセスやプラズマプロセスにおいて
は反応槽のかなり広い領域あるいは全体が熱やイオンに
晒されるのに対し、必要な物質源のみを励起することが
できるので、不純物混入が抑制されたクリーンなプロセ
スとなる。また、無質量性とは、同じ非熱平衡性のイオ
ンプロセスに比較して、格段な低ダメージ性であること
を意味する。レーザアブレーションにおける脱離物質
は、主にイオン及び中性粒子である原子・分子・クラス
ター（数個から数十個程度の原子から構成される）であ
り、その運動エネルギーは、イオンで数十ｅＶ、中性粒
子の場合は数ｅＶのレベルに達する。これは、加熱蒸発
原子よりはるかに高エネルギーであるが、イオンビーム
よりはるかに低エネルギーの領域である。

【００３４】このようにクリーンでダメージの少ないレ
ーザアブレーションプロセスは、不純物の混入・組成・
結晶性等が制御された薄膜の作製に適している。また、
このレーザアブレーションプロセスは、レーザ光の透過
性により、種々のガス種、広い範囲のガス圧条件下での
成膜が可能である。さらに、この特性は融点・蒸気圧に
あまり依存しないので、レーザアブレーションプロセス
は、従来の熱平衡プロセス技術では困難とされていた、
融点・蒸気圧の異なる材料を同時に処理（蒸発・堆積）
することによる多元系材料の成膜への適用が可能であ
る。

【００３５】なお、レーザアブレーション法を用いて薄
膜形成を行うためには、ターゲット材料が、光源である
レーザ光の波長域で吸収があることが望ましい。一般
に、酸化物透明導電体材料は、バンドギャップエネルギ
ーが３ｅＶ程度以上であるため、光源として、エキシマ
レーザあるいはＹＡＧレーザの高調波を用いることが望
ましい。

【００３６】図２は、本発明の冷陰極形成方法に使用す
る薄膜形成装置を示す図である。ここでは、酸化物透明
導電体ターゲットを用いてレーザアブレーションを行う
ことにより、均質な酸化物透明導電体薄膜を形成する場
合について説明する。

【００３７】図２（ａ）において、１０１はターゲット
が配置される金属製の反応室を示す。反応室１０１の底
部には、反応室１０１内の空気を排気して反応室１０１
内を超真空にする超真空排気系１０２が設けられてい
る。反応室１０１には、反応室１０１へ雰囲気ガスを供
給するガス導入ライン１０４が取り付けられている。こ
のガス導入ライン１０４には、反応室１０１へ供給する
雰囲気ガスの流量を制御するマスフローコントローラ１
０３が取り付けられている。また、反応室１０１の底部
には、反応室１０１内の雰囲気ガスを排気するガス排気
系１０５が設けられている。

【００３８】反応室１０１内には、ターゲット１０７を
保持するターゲットホルダー１０６が配置されている。
このターゲットホルダー１０６には、回転シャフトが取
り付けられており、この回転シャフトが図示しない回転
制御部の制御で回転することにより、ターゲット１０７
が回転するようになっている。このターゲット１０７の
表面に対向するようにして堆積基板１０９が配置されて
いる。この堆積基板１０９には、レーザ光の照射により
励起されたターゲット１０７から脱離・射出された物質
が堆積される。なお、ここでは、ターゲットとして、Ｉ
ｎ₂Ｏ₃多結晶焼結体ターゲットを用いる。

【００３９】反応室１０１の外側には、ターゲット１０
７にエネルギービームとしてのレーザ光を照射するパル
スレーザ光源１０８が配置されている。反応室１０１の
上部には、レーザ光を反応室１０１内に導入するレーザ
導入窓１１０が取り付けられている。パルスレーザ光源
１０８から出射したレーザ光の光路上には、レーザ光源
１０８から近い順にスリット１１１，レンズ１１２，及
び反射鏡１１３が配置されており、パルスレーザ光源１
０８から出射したレーザ光がスリット１１１により整形
され、レンズ１１２で集光され、反射鏡１１３で反射さ
れて、レーザ導入窓１１０を通って反応室１０１内に設
置されたターゲット１０７に照射されるようになってい
る。

【００４０】上記構成を有する薄膜製造装置における動
作について説明する。反応室１０１の内部を、ターボ分
子ポンプを主体とする超高真空排気系１０２により到達
真空１．０×１０^-9Ｔｏｒｒ程度まで排気した後、マス
フローコントローラ１０３を経由して、ガス導入ライン
１０４より、Ｈｅガスの導入を行う。ここで、ドライロ
ータリーポンプもしくは高圧用ターボ分子ポンプを主体
としたガス排気系１０５の動作と連動することにより、
反応室１０１内の希ガス圧力を、０．１〜１０Ｔｏｒｒ
程度の範囲の一圧力値に設定する。

【００４１】この状態で、自転機構を有するターゲット
ホルダー１０６に配置された、純度：４ＮのＩｎ₂Ｏ₃
多結晶焼結体ターゲット１０７の表面に対して、パルス
レーザ光源１０８からレーザ光を照射する。ここでは、
アルゴン弗素（ＡｒＦ）エキシマレーザ（波長：１９３
ｎｍ、パルス幅：１２ｎｓ、エネルギー密度：１Ｊ／ｃ
ｍ²、繰返し周波数：１０Ｈｚ）を用いた。このとき、
Ｉｎ₂Ｏ₃ターゲット１０７表面では、レーザアブレー
ション現象が発生し、Ｉｎ，Ｏ，ＩｎＯ，Ｉｎ ₂Ｏ₃等
のイオンあるいは中性粒子（原子、分子、クラスター）
が脱離し、当初はイオンで５０ｅＶ、中性粒子で５ｅＶ
のオーダーの運動エネルギーを有し、主にターゲット法
線方向に分子、クラスターレベルの大きさを維持して、
射出して行く。そして、脱離物質は、雰囲気希ガス原子
と衝突することにより、飛行方向が乱雑になるととも
に、運動エネルギーが雰囲気に散逸され、約３ｃｍ離れ
て対向した堆積基板１０９上に均質な薄膜として堆積す
る。なお、基板、ターゲット温度とも積極的な制御は行
っていない。

【００４２】ここでは、雰囲気ガスとして、Ｈｅガスを
用いているが、Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｎ₂等の他の不活性
ガスを用いてもよい。この場合、気体密度がＨｅガスの
場合と同等になるように圧力を設定すればよい。例え
ば、雰囲気ガスとしてＡｒ（気体密度：１．７８ｇ／
ｌ）を用いる場合には、Ｈｅ（気体密度：０．１８ｇ／
ｌ）を基準とすると０．１倍程度の圧力に設定すればよ
い。

【００４３】或いは、希ガス（Ａｒ、Ｈｅ等）と酸化性
ガス（Ｏ₂，Ｏ₃，Ｎ₂Ｏ，ＮＯ₂等）の混合ガスを用
いてもよい。この場合、酸化性ガスの混入割合は、５０
容量％以下で希ガスに対して混入すればよく、雰囲気ガ
スの平均気体密度がＨｅ希釈Ｏ₂ガスの場合と同等にな
るように圧力を設定すればよい。上記の方法により雰囲
気ガスであるＨｅガスの圧力を変えながら堆積基板に形
成した酸化インジウム薄膜について、Ｘ線回折測定およ
び電子顕微鏡観察による結晶性評価を行った。

【００４４】図３に、各堆積薄膜の電子顕微鏡観察写真
を示す。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、Ｈｅガ
ス圧：０．５Ｔｏｒｒ、２．０Ｔｏｒｒ、５．０Ｔｏｒ
ｒで堆積した薄膜である。（ａ）では微粒子状になって
堆積しているのに対し、（ｂ）では突起部を有する自己
整合型結晶構造が得られている。一方、（ｃ）では、微
結晶の集合体となっている。

【００４５】図４に、各堆積薄膜のＸ線回折測定結果を
示す。Ｈｅガス圧：０．５Ｔｏｒｒ以下で形成したサン
プルでは、回折角：３３°付近にブロードなピークが観
測される。このピーク位置はＩｎ結晶の（１０１）面に
対応するが、半値全幅が広いことから、アモルファス構
造あるいは微粒子の凝集体となっていると考えられる。
一方、Ｈｅガス圧：１．０Ｔｏｒｒ及び２．０Ｔｏｒｒ
で形成したサンプルでは、Ｉｎ₂Ｏ₃結晶構造に対応し
た４つの回折ピークが観測され、特に（４００）配向性
が高くなっている。また、Ｈｅガス圧：５．０Ｔｏｒｒ
で形成したサンプルでは、７つの回折ピークが観測され
ており、各ピークの強度比が、粉末標準試料における各
ピークの強度比と同様であることから、配向性の無い構
造となっていることがわかる。

【００４６】以上の結果は、本実施の形態の薄膜形成方
法による酸化物薄膜作製において、酸素を含有しない不
活性ガスを用いても、その雰囲気ガス圧の制御により酸
素欠損のない酸化物薄膜を形成できたことを示してい
る。換言すれば、レーザ照射によりターゲットから射出
した物質（主に原子・イオン・クラスター）と不活性ガ
スとの相互作用（衝突、散乱、閉じ込め効果）の最適化
により、化学量論組成の保たれた結晶配向性酸化物薄膜
の形成が可能であることを示している。

【００４７】ここで、さらに、レーザアブレーションに
おける雰囲気ガスの効果について考察を行う。レーザ照
射によりターゲット表面から射出した物質は、ターゲッ
ト組成を保ったまま蒸気化されず、主に原子・イオンの
状態で直進性を保って伝播していく。しかしながら、雰
囲気ガスが存在すると、衝突により散乱したりエネルギ
ーを奪われ、薄膜形成における空間分布、堆積速度、堆
積物質の運動エネルギーの分布等に変化を生じさせる。
これらの変化は射出物質の種類、運動エネルギーにより
異なり、一般に、重い物質（ここではＩｎ）の方が散乱
を受けにくいため、ガス雰囲気中でのレーザアブレーシ
ョンにおいても直進性を保つと考えられる。その結果、
低ガス圧で薄膜形成を行った場合、散乱を受けやすく蒸
気圧も高い酸素が欠損した状態で基板に到達する。

【００４８】ターゲットから射出された原子やイオン
は、最初はそれぞれ異なる速度で進むが、雰囲気ガス圧
が高くなると、雰囲気ガスとの衝突・散乱を多く受ける
ことにより、その速度は均一化されつつ遅くなってい
く。その結果、図２（ｂ）に示すように、射出物質はプ
ルーム１１４内に閉じ込められて、低ガス圧で生じてい
た酸素抜けが抑えられることになる。希ガス雰囲気中で
のレーザアブレーションにおいては、堆積薄膜中の酸素
はターゲットから射出された酸素のみから供給されるた
め、この効果は重要である。

【００４９】しかしながら、Ｈｅガス雰囲気中で堆積し
た薄膜における結晶構造の急激な変化は、酸素の空間的
閉じ込めによる酸素供給量の増加だけでは説明できな
い。

【００５０】高圧ガス雰囲気中でレーザアブレーション
を行うと、雰囲気ガスが圧縮され、その圧力と温度が上
昇してショックフロントが形成される。そこで、酸化物
形成におけるショックフロントの影響を考察する。圧力
の増加は、体積及びモル数の減少をもたらす反応である
Ｉｎ₂Ｏ₃の形成を促進する。温度の上昇は、射出物質
の励起を熱的に促進する。しかしながら、温度の上昇は
Ｉｎ₂Ｏ₃の生成エネルギーを増加する方向にも働くた
め、Ｉｎ₂Ｏ₃の形成が妨げられることになる。ショッ
クフロントが前進してターゲットからの距離が増加する
とともに、圧力と温度は減少していく。また、生成エネ
ルギーは温度の減少とともに低くなる。以上の結果、高
圧状態と、生成エネルギーが十分に低い条件が満たされ
る高温状態が同時に実現された領域が、ターゲットから
ある距離のところで形成され、この領域内で酸化反応が
促進される。すなわち、この気相中の酸化促進領域で、
化学量論組成の保たれたＩｎ₂Ｏ₃が形成され、基板上
で透明薄膜が得られると考えられる。

【００５１】さらに、結晶性については、従来の製造方
法で常温でガラス基板上に作製した薄膜は、アモルファ
ス構造となっている。これに対し、本実施の形態では、
常温で合成石英基板上に形成した薄膜において結晶性Ｉ
ｎ₂Ｏ₃薄膜が得られている。また、配向性について
は、Ｈｅガス圧：１．０〜２．０Ｔｏｒｒでは強い配向
性が見られたのに対し、５．０Ｔｏｒｒでは配向性の無
い構造となった。この結果は、ショックフロントにより
形成された酸化促進領域と堆積基板の位置関係により以
下のように説明できる（図５参照）。

【００５２】すなわち、気相中の酸化促進領域におい
て、酸化反応が促進されてＩｎ₂Ｏ₃の結晶核が生成さ
れた後、さらなる飛行に伴い急激に冷やされて微結晶に
成長する。この酸化促進領域に接するように堆積基板が
配置されていると、基板表面が活性領域となり、気相で
生成された結晶核が基板上でのマイグレーションを伴う
ことで配向して結晶化すると考えられる。一方、堆積基
板がこの酸化促進領域の外に配置されていると、気相中
で大きく成長した微結晶が凝集しつつ基板に到達するた
め、配向性を持たない構造になる。本実施の形態におけ
るプロセス条件では、Ｈｅガス圧：１．０〜２．０Ｔｏ
ｒｒ程度の場合に、堆積基板がショックフロントにより
形成された酸化促進領域に接するような配置になってい
ると考えられる。

【００５３】以上のように、レーザアブレーションにお
いては、雰囲気ガス圧（Ｐ）とターゲット−基板間距離
（Ｄ）の間に相関関係がある。レーザ照射によりターゲ
ットから射出した物質はプルームと呼ばれるプラズマ状
態を形成する。このプルームは雰囲気ガスとの衝突の影
響を受けるため、プルームの大きさはガス圧依存性を有
し、ガス圧が高いほどその大きさは小さくなる。

【００５４】一方、化学量論組成の保たれた配向性薄膜
を得るには、プルーム内に形成される上述の酸化促進領
域が基板に接するような条件とすることが望ましい。具
体的には、本実施の形態では、Ｄ＝３ｃｍとしており、
この場合にはＰ＝１．０Ｔｏｒｒ程度で配向性薄膜が得
られている。Ｄをさらに大きくする場合には、プルーム
を大きくする、すなわちガス圧を低くすればよい。さら
に、堆積薄膜の膜質は、ターゲットからの射出物質が堆
積基板に到達する時の速度に大きく依存する。このた
め、同様の膜質を得るには、上記速度が一定になるプロ
セス条件として、ＰＤⁿ＝一定という相関関係があり、
このｎの値は２〜３程度とされている。したがって、例
えば、Ｄを２倍にした場合には、対応するガス圧を１／
４〜１／８程度とすればよい。

【００５５】このように、本実施の形態の冷陰極形成方
法では、蒸気圧が高い元素（ここでは酸素）を含む材料
で構成されたターゲット材を用いてレーザアブレーショ
ンを行う場合において、蒸気圧が高い元素が抜けること
により化学量論組成がくずれてしまうことを防止するた
めに、雰囲気ガスに蒸気圧が高い元素を含むガスを用い
て蒸気圧が高い元素を補う方法ではなく、雰囲気ガス圧
と、ターゲットと堆積基板との間の距離とを調整して適
切な大きさのプルームを形成させることにより化学量論
組成の保たれた結晶配向性薄膜を形成する。すなわち、
適切な大きさのプルーム内で蒸気圧の高い元素の抜けを
防止して、堆積基板上にターゲット材とほぼ同じ組成の
薄膜を形成する。適切な大きさのプルームとは、上述し
たように、プルーム内に形成される酸化促進領域が堆積
基板１０９の表面に接する程度の大きさである。したが
って、本実施の形態に係る冷陰極形成方法では、このよ
うな適切な大きさのプルームが形成されるために十分な
雰囲気ガス圧及びターゲット−堆積基板間距離を適宜設
定する。

【００５６】この方法を利用すると、雰囲気ガスの圧力
を調整して、すなわちターゲット材からの脱離物質と雰
囲気ガス原子との間の衝突回数を調整して、プルーム内
に形成される高温高圧領域に閉じ込められる蒸気圧の高
い元素の割合を制御することにより、形成する薄膜の結
晶状態や欠損等を制御することが可能となる。

【００５７】さらに、形成直後の薄膜は、結晶性が悪
い、欠陥が存在する等の問題を生じることがある。この
ような場合には、結晶性、純度等の膜質向上のために、
薄膜を酸素雰囲気中で酸化したり、窒素雰囲気中で熱処
理をすることも有効である。

【００５８】以上述べてきたように、本実施の形態の冷
陰極形成方法により、Ｏ₂ガスの導入や基板加熱を必要
とすることなく、化学量論組成の保たれた結晶配向性酸
化物薄膜を形成することができた。したがって、この方
法を用いれば、冷陰極を形成する基板材料が限定される
ことも無く、製造工程の簡略化と低コスト化を図ること
ができる。

【００５９】さらに、上記により形成された冷陰極にお
いて、真空度１０^-6ＴｏｒｒでＭｏ金属層１３と結晶配
向性薄膜１４の間で１０Ｖ／μｍ程度の電圧を印可し、
垂直方向３ｍｍ程度離した位置に被照射体を置いたとこ
ろ、１ｍＡ／ｃｍ²程度の安定な電子放出を確認した。
この結果は、形成された冷陰極が、図３（ｂ）に示した
ように、複数の突起体を自己整合的に形成しており、こ
れに電圧を印加した結果、高電界強度がそれぞれの突起
体にかかることにより、電子放出しきい値が低下すると
ともに、全体として放出電流値の増大と安定化を図るこ
とができたと考えられる。

【００６０】なお、以上の説明では、二元系の酸化物透
明導電体薄膜である、Ｉｎ₂Ｏ₃薄膜を用いた冷陰極形
成方法について述べたが、冷陰極材料としては、ＳｎＯ
₂、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂、ＷＯ₃、及びＣｕＡｌ
Ｏ₂のいずれかの透明導電体を用いることも可能であ
る。

【００６１】また、本実施の形態に係る方法は、透明導
電体に限らず、冷陰極材料に適している、電子放出しき
い値が低い（電子親和力が小さい）物質にも同様に適用
することができる。特に、従来の熱平衡プロセス技術で
は困難とされていた、融点・蒸気圧の異なる材料を同時
に処理（蒸発・堆積）することによる多元系材料の成膜
への適用が可能である。このような物質としては、Ｌａ
Ｂ₆、ＴｉＣ、ＳｉＣ、及びＳｎＣ等の化合物や、Ｔｉ
Ｎ、ＢＮ、ＳｒＮ、ＺｒＮ、及びＨｆＮに代表される窒
化物等がある。さらに、電子放出性材料として、従来プ
ロセスでは酸化されやすく突起状の加工も難しい金属材
料（Ｗ、Ｍｏ等）を用いる場合でも、高純度のターゲッ
トを用いて、自己整合的に高純度の突起形状を形成する
ことができる。

【００６２】以上のように、本実施の形態の電子放出素
子において、電子放出は方向の揃った微細構造部分から
行われるため、マルチソースでありかつ電子の方向性が
揃った冷陰極となる。したがって、ＣＲＴ用電子源に応
用した場合、従来のＣＲＴ用電子源において必要であっ
た、電子を加速・集束させるための電子銃の構造を簡素
化することもでき、ＣＲＴの薄型化を図ることができ
る。さらに、電子源の電流密度を増大させるとともに、
安定化することができることから、高輝度かつ高精細を
要求されるハイビジョン用ＣＲＴの電子源等として用い
ることもできる。

【００６３】（実施の形態２）以下、本発明の他の電子
放出素子及びその形成方法を、図６を用いて詳細に説明
する。図６は、本発明の電子放出素子の構造を示す断
面図である。図６において、６１はＳｉ等の基板、６２
は基板６１上に形成されたＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ ₃等の酸
化膜の絶縁層、６３はＭｏ等の金属層から成る引き出し
電極であり、６４は開口部の基板６１の上に形成され
た、導電膜あるいは抵抗膜から成る干渉層、６５は干渉
層６４の上に形成された結晶配向性薄膜である。

【００６４】以上の構成において、結晶配向性薄膜６５
は、電子放出性材料から構成することにより、基板６１
と引き出し電極６３との間に電圧を印加することによ
り、容易に電子を放出する。この電子放出は、方向の揃
った微細構造部分から行われるため、マルチソースであ
りかつ電子の方向性が揃った冷陰極となる。ここで、結
晶配向性薄膜６５を干渉層６４を介して形成する際に、
電子放出部先端が引き出し電極とほぼ同面位置になるよ
うに、それぞれの膜厚を調整することにより、電界強度
を高くする、すなわち、電子放出開始電圧を低減するこ
とができる。また、干渉層を抵抗膜で構成することによ
り、より電流を安定化することが可能となる。さらに、
結晶配向性薄膜を形成する下地である干渉層を、結晶配
向性薄膜と同様の配向性を有する導電膜あるいは抵抗膜
としておくことにより、その上に形成する薄膜の結晶化
が促進され、電子放出部の先端形状を安定化することが
できる。

【００６５】以上の結果、電流密度を増大させるととも
に、安定化することができ、たとえば、高輝度かつ高精
細を要求されるハイビジョン用電子源等として用いるこ
とができる。

【００６６】次に、図６に示した電界放出素子におい
て、冷陰極となる結晶配向性薄膜の形成方法について説
明する。本実施の形態では、基板上に干渉層を形成した
後、希ガス（Ａｒ，Ｈｅ等）雰囲気中におけるレーザア
ブレーションを用いて、電子放出性材料である金属窒化
物薄膜を堆積させる。

【００６７】ここでは、実施の形態１で述べた、図２に
示した薄膜形成装置を用い、金属窒化物ターゲットを用
いてレーザアブレーションを行うことにより、均質な金
属窒化物薄膜を形成する場合について説明する。

【００６８】図２に示した薄膜製造装置において、ま
ず、反応室１０１の内部を、ターボ分子ポンプを主体と
する超高真空排気系１０２により到達真空１．０×１０
^-9Ｔｏｒｒ程度まで排気した後、マスフローコントロー
ラ１０３を経由して、ガス導入ライン１０４より、Ｈｅ
ガスの導入を行う。ここで、ドライロータリーポンプも
しくは高圧用ターボ分子ポンプを主体としたガス排気系
１０５の動作と連動することにより、反応室１０１内の
希ガス圧力を、０．１〜１０Ｔｏｒｒ程度の範囲の一圧
力値に設定する。

【００６９】この状態で、自転機構を有するターゲット
ホルダー１０６に配置された、純度：４ＮのＴｉＮ多結
晶焼結体ターゲット１０７の表面に対して、パルスレー
ザ光源１０８からレーザ光を照射する。ここでは、アル
ゴン弗素（ＡｒＦ）エキシマレーザ（波長：１９３ｎ
ｍ、パルス幅：１２ｎｓ、エネルギー密度：１Ｊ／ｃｍ
²、繰返し周波数：１０Ｈｚ）を用いた。このとき、Ｔ
ｉＮターゲット１０７表面では、レーザアブレーション
現象が発生し、Ｔｉ，Ｎ，ＴｉＮ等のイオンあるいは中
性粒子（原子、分子、クラスター）が脱離し、当初はイ
オンで５０ｅＶ、中性粒子で５ｅＶのオーダーの運動エ
ネルギーを有し、主にターゲット法線方向に分子、クラ
スターレベルの大きさを維持して、射出して行く。そし
て、脱離物質は、雰囲気希ガス原子と衝突することによ
り、飛行方向が乱雑になるとともに、運動エネルギーが
雰囲気に散逸され、約３ｃｍ離れて対向した堆積基板１
０９上に均質な薄膜として堆積する。なお、基板、ター
ゲット温度とも積極的な制御は行っていない。

【００７０】ここでは雰囲気ガスとして、Ｈｅガスを用
いているが、Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ等の他の不活性ガスを用
いてもよい。この場合、気体密度がＨｅガスの場合と同
等になるように圧力を設定すればよい。例えば、雰囲気
ガスとしてＡｒ（気体密度：１．７８ｇ／ｌ）を用いる
場合には、Ｈｅ（気体密度：０．１８ｇ／ｌ）を基準と
すると０．１倍程度の圧力に設定すればよい。

【００７１】あるいは、希ガス（Ａｒ、Ｈｅ等）と窒化
性ガス（Ｎ₂，ＮＨ₃等）の混合ガスを用いてもよい。
この場合、窒化性ガスの混入割合は、５０容量％以下で
希ガスに対して混入すればよく、雰囲気ガスの平均気体
密度がＨｅ希釈Ｎ₂ガスの場合と同等になるように圧力
を設定すればよい。

【００７２】上記の方法により雰囲気ガスであるＨｅガ
スの圧力を変えながら堆積基板に形成した窒化チタン薄
膜について、Ｘ線回折測定および電子顕微鏡観察による
結晶性評価を行った結果、突起部を有する自己整合型結
晶構造が得られていた。

【００７３】以上の結果は、本実施の形態の薄膜形成方
法による窒化物薄膜作製において、窒素を含有しない不
活性ガスを用いても、その雰囲気ガス圧の制御により組
成ずれのない窒化物薄膜を形成できたことを示してい
る。換言すれば、実施の形態１で図５を用いて説明した
ように、レーザ照射によりターゲットから射出した物質
（主に原子・イオン・クラスター）と不活性ガスとの相
互作用（衝突、散乱、閉じ込め効果）の最適化により、
化学量論組成の保たれた結晶配向性窒化物薄膜が形成さ
れたと考えられる。

【００７４】さらに、実施の形態１で述べたように、レ
ーザアブレーションにおいては、雰囲気ガス圧（Ｐ）と
ターゲット−基板間距離（Ｄ）の間に相関関係がある。
レーザ照射によりターゲットから射出した物質はプルー
ムと呼ばれるプラズマ状態を形成する。このプルームは
雰囲気ガスとの衝突の影響を受けるため、プルームの大
きさはガス圧依存性を有し、ガス圧が高いほどその大き
さは小さくなる。

【００７５】一方、化学量論組成の保たれた配向性薄膜
を得るには、プルーム内に形成される上述の窒化促進領
域が基板に接するような条件とすることが望ましい。具
体的には、本実施の形態では、Ｄ＝３ｃｍとしており、
この場合にはＰ＝１．０Ｔｏｒｒ程度で配向性薄膜が得
られている。Ｄをさらに大きくする場合には、プルーム
を大きくする、すなわちガス圧を低くすればよい。さら
に、堆積薄膜の膜質は、ターゲットからの射出物質が堆
積基板に到達する時の速度に大きく依存する。このた
め、同様の膜質を得るには、上記速度が一定になるプロ
セス条件として、ＰＤⁿ＝一定という相関関係があり、
このｎの値は２〜３程度とされている。したがって、例
えば、Ｄを２倍にした場合には、対応するガス圧を１／
４〜１／８程度とすればよい。

【００７６】このように、本実施の形態の冷陰極形成方
法では、蒸気圧が高い元素（ここでは窒素）を含む材料
で構成されたターゲット材を用いてレーザアブレーショ
ンを行う場合において、蒸気圧が高い元素が抜けること
により化学量論組成がくずれてしまうことを防止するた
めに、雰囲気ガスに蒸気圧が高い元素を含むガスを用い
て蒸気圧が高い元素を補う方法ではなく、雰囲気ガス圧
と、ターゲットと堆積基板との間の距離とを調整して適
切な大きさのプルームを形成させることにより化学量論
組成の保たれた結晶配向性薄膜を形成する。すなわち、
適切な大きさのプルーム内で蒸気圧の高い元素の抜けを
防止して、堆積基板上にターゲット材とほぼ同じ組成の
薄膜を形成する。適切な大きさのプルームとは、上述し
たように、プルーム内に形成される窒化促進領域が堆積
基板１０９の表面に接する程度の大きさである。したが
って、本実施の形態に係る冷陰極形成方法では、このよ
うな適切な大きさのプルームが形成されるために十分な
雰囲気ガス圧及びターゲット−堆積基板間距離を適宜設
定する。

【００７７】この方法を利用すると、雰囲気ガスの圧力
を調整して、すなわちターゲット材からの脱離物質と雰
囲気ガス原子との間の衝突回数を調整して、プルーム内
に形成される高温高圧領域に閉じ込められる蒸気圧の高
い元素の割合を制御することにより、形成する薄膜の結
晶状態や欠損等を制御することが可能となる。

【００７８】さらに、形成直後の薄膜は、結晶性が悪
い、欠陥が存在する等の問題を生じることがある。この
ような場合には、結晶性、純度等の膜質向上のために、
薄膜を窒素雰囲気中で窒化したり、不活性ガス雰囲気中
で熱処理をすることも有効である。

【００７９】以上述べてきたように、本実施の形態の冷
陰極形成方法により、反応性ガスの導入や基板加熱を必
要とすることなく、化学量論組成の保たれた結晶配向性
窒化物薄膜を形成することができた。したがって、この
方法を用いれば、冷陰極を形成する基板材料が限定され
ることも無く、製造工程の簡略化と低コスト化を図るこ
とができる。

【００８０】さらに、上記により形成された冷陰極にお
いて、真空度１０^-6ＴｏｒｒでＭｏ金属層６３と結晶配
向性薄膜６５の間で１０Ｖ／μｍ程度の電圧を印可し、
垂直方向３ｍｍ程度離した位置に被照射体を置いたとこ
ろ、２ｍＡ／ｃｍ²程度の安定な電子放出を確認した。
この結果は、形成された冷陰極が複数の突起体を自己整
合的に形成しており、さらに、電子放出部先端が引き出
し電極とほぼ同面位置になるように調整されているた
め、これに電圧を印加した結果、高電界強度が効率的に
それぞれの突起体にかかることにより、電子放出しきい
値が低下するとともに、全体として放出電流値の増大と
安定化を図ることができたと考えられる。

【００８１】なお、以上の説明では、二元系の金属窒化
物薄膜であるＴｉＮ薄膜を用いた冷陰極形成方法につい
て述べたが、冷陰極材料としては、ＢＮ、ＳｒＮ、Ｚｒ
Ｎ、及びＨｆＮ等の他の窒化物を用いることも可能であ
る。

【００８２】また、本実施の形態に係る方法は、窒化物
に限らず、冷陰極材料に適している、電子放出しきい値
が低い（電子親和力が小さい）物質にも同様に適用する
ことができる。特に、従来の熱平衡プロセス技術では困
難とされていた、融点・蒸気圧の異なる材料を同時に処
理（蒸発・堆積）することによる多元系材料の成膜への
適用が可能である。このような物質としてはＬａＢ₆、
ＴｉＣ、ＳｉＣ、及びＳｎＣ等の化合物や、Ｉｎ
₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂、Ｗ
Ｏ ₃、及びＣｕＡｌＯ₂等の透明導電体等がある。さら
に、電子放出性材料として、従来プロセスでは酸化され
やすく突起状の加工も難しい金属材料（Ｗ、Ｍｏ等）を
用いる場合でも、高純度のターゲットを用いて、自己整
合的に高純度の突起形状を形成することができる。

【００８３】以上のように、本実施の形態の電子放出素
子において、電子放出は方向の揃った微細構造部分から
行われるため、マルチソースでありかつ電子の方向性が
揃った冷陰極となる。したがって、ＣＲＴ用電子源に応
用した場合、従来のＣＲＴ用電子源において必要であっ
た、電子を加速・集束させるための電子銃の構造を簡素
化することもでき、ＣＲＴの薄型化を図ることができ
る。さらに、電子源の電流密度を増大させるとともに、
安定化することができることから、高輝度かつ高精細を
要求されるハイビジョン用ＣＲＴの電子源等として用い
ることもできる。

【００８４】（実施の形態３）以下、本発明の電子放出
素子を電子源とした平面ディスプレイについて、図７を
用いて詳細に説明する。

【００８５】図７は、本発明の平面ディスプレイの構造
を示す断面図である。図７において、７１はＳｉ基板、
７２は基板７１上に形成された冷陰極であり、実施の形
態１で述べた、図１に示した電子放出性材料から成る結
晶配向性薄膜で構成されている。７３は第一絶縁膜、７
４は第一ゲート電極、７５は第二絶縁膜、７６は第二ゲ
ート電極である。第一ゲート電極７４と第２ゲート電極
７６はそれぞれ直交するラインとなるようなマトリクス
に形成され、端部はフリットシールを通って外部回路と
つながれており、このラインの交点が画素を構成する。
７７は蛍光体層、７８はアノードとなる透明導電膜、７
９は透明な面板である。面板７９とＳｉ基板７１は、不
図示の隔壁板によって例えば２００μｍのギャップを確
保し、端部でフリットガラスにより接着され、内部が高
真空に保たれる構造となっている。

【００８６】以上の構成において、その動作について説
明する。透明導電膜７８に、Ｓｉ基板７１に対して例え
ば４００Ｖ程度の電圧を加えてアノードとする。そし
て、第一ゲート電極７４と第二ゲート電極７６の両方に
例えば６０Ｖ程度の電圧を加えると、冷陰極７２が電子
放出性材料の結晶配向性薄膜から構成されているため、
図７に示すように電子を放出する。放出された電子は、
透明導電膜７８の電圧による電界により透明導電膜７８
に向かって真空に保持された内部を進行し、対向して設
置された蛍光体層７７の蛍光体を励起し、可視発光を生
じさせる。この光は、面板７９を通して外部に放出され
ることになる。

【００８７】一方、第一ゲート電極７４と第二ゲート電
極７６の電圧のいずれか一方が６０Ｖで他方が０Ｖの時
には、電界の打ち消しあいにより電子は放出されない。
これを利用して、マトリックス状に配置された画素のう
ちの任意の画素を発光させることができる。

【００８８】なお、本実施の形態では、冷陰極７２は、
実施の形態１で述べた冷陰極構造としたが、実施の形態
２で述べた冷陰極構造としてもよい。すなわち、冷陰極
７２は、図６に示したように、開口部の基板７１の上に
形成された、導電膜あるいは抵抗膜から成る干渉層と、
その上に形成された結晶配向性薄膜から構成される。こ
こで、結晶配向性薄膜の電子放出部先端が引き出し電極
とほぼ同面位置になるように、それぞれの膜厚を調整す
ることにより、電界強度を高くする、すなわち、電子放
出開始電圧を低減することができる。また、干渉層を抵
抗膜で構成することにより、より電流を安定化すること
が可能となる。さらに、結晶配向性薄膜を形成する下地
である干渉層を、結晶配向性薄膜と同様の配向性を有す
る導電膜あるいは抵抗膜としておくことにより、その上
に形成する薄膜の結晶化が促進され、電子放出部の先端
形状を安定化することができる。

【００８９】以上のように、本実施の形態の平面ディス
プレイにおいて、電子源からの電子放出は方向の揃った
微細構造部分から行われるため、マルチソースでありか
つ電子の方向性が揃った冷陰極となる。この構成によ
り、従来より簡単な構成で、電子源の電子放出しきい値
の低下、放出電流値の増大と安定化を実現でき、平面デ
ィスプレイの低電圧化、低コスト化を図ることができ
る。

【００９０】（実施の形態４）以下、本発明の電子放出
素子を電子源とした透過型平面ディスプレイについて、
図８を用いて詳細に説明する。

【００９１】図８は、本発明の透過型平面ディスプレイ
の構造を示す断面図である。図８において、８１は透明
基板、８２は透明基板８１上に形成された冷陰極であ
り、図１に示した透明導電体材料から成る結晶配向性薄
膜で構成されている。８３は第一絶縁膜、８４は第一ゲ
ート電極、８５は第二絶縁膜、８６は第二ゲート電極で
ある。第一ゲート電極８４と第２ゲート電極８６はそれ
ぞれ直交するラインとなるようなマトリクスに形成さ
れ、端部はフリットシールを通って外部回路とつながれ
ており、このラインの交点が画素を構成する。８７は蛍
光体層、８８はアノード電極層、８９は面板である。面
板８９と透明基板８１は、不図示の隔壁板によって例え
ば２００μｍのギャップを確保し、端部でフリットガラ
スにより接着され、内部が高真空に保たれる構造となっ
ている。

【００９２】以上の構成において、その動作について説
明する。アノード電極層８８に、透明基板８１に対して
例えば４００Ｖ程度の電圧を加えてアノードとする。そ
して、第一ゲート電極８４と第二ゲート電極８６の両方
に例えば６０Ｖ程度の電圧を加えると、冷陰極８２が電
子放出性材料の結晶配向性薄膜から構成されているた
め、図８に示すように電子を放出する。放出された電子
は、アノード電極層８８の電圧による電界によりアノー
ド電極層８８に向かって真空に保持された内部を進行
し、対向して設置された蛍光体層８７の蛍光体を励起
し、可視発光を生じさせる。この光は、透明な冷陰極８
２および透明基板８１を介して外部から見ることができ
る。

【００９３】一方、第一ゲート電極８４と第二ゲート電
極８６の電圧のいずれか一方が６０Ｖで他方が０Ｖの時
には、電界の打ち消しあいにより電子は放出されない。
これを利用して、マトリックス状に配置された画素のう
ちの任意の画素を発光させることができる。

【００９４】なお、本実施の形態では、冷陰極８２は、
実施の形態１で述べた冷陰極構造としたが、実施の形態
２で述べた冷陰極構造としてもよい。すなわち、冷陰極
８２は、図６に示したように、開口部の基板８１の上に
形成された、導電膜あるいは抵抗膜から成る干渉層と、
その上に形成された結晶配向性薄膜から構成される。こ
こで、結晶配向性薄膜の電子放出部先端が引き出し電極
とほぼ同面位置になるように、それぞれの膜厚を調整す
ることにより、電界強度を高くする、すなわち、電子放
出開始電圧を低減することができる。また、干渉層を抵
抗膜で構成することにより、より電流を安定化すること
が可能となる。さらに、結晶配向性薄膜を形成する下地
である干渉層を、結晶配向性薄膜と同様の配向性を有す
る導電膜あるいは抵抗膜としておくことにより、その上
に形成する薄膜の結晶化が促進され、電子放出部の先端
形状を安定化することができる。

【００９５】以上のように、平面ディスプレイにおい
て、本発明のように、透明導電体結晶薄膜からなる冷陰
極を用いることにより、透過型平面ディスプレイを実現
することができる。さらに、電子源からの電子放出は方
向の揃った微細構造部分から行われるため、マルチソー
スでありかつ電子の方向性が揃った冷陰極となる。この
構成により、従来より簡単な構成で、電子源の電子放出
しきい値の低下、放出電流値の増大と安定化を実現で
き、平面ディスプレイの低電圧化、低コスト化を図るこ
とができる。

【００９６】

【発明の効果】以上のように、本発明の冷陰極形成方法
は、ターゲット材及び基板を反応室内に配置し、前記タ
ーゲット材にビーム光を照射することにより前記ターゲ
ット材近傍に形成される高温高圧領域のサイズが最適と
なるように、前記反応室に導入する雰囲気ガスの圧力
（Ｐ）及び、前記基板と前記ターゲット材との間の距離
（Ｄ）を調整し、前記反応室に前記圧力で前記雰囲気ガ
スを導入しながら、前記ターゲット材にビーム光を照射
することにより励起し、脱離した前記ターゲット材に含
まれる物質を前記基板上に堆積して冷陰極を形成する。
この構成により、従来の形成方法より容易に、自己整合
型結晶構造を得ることができる。

【００９７】また、本発明によれば、電子放出部を、上
述の冷陰極形成方法により形成された、電子放出性材料
の結晶配向性薄膜から成る冷陰極から構成される薄膜状
電子源とすることにより、従来より簡単な構成で低コス
ト化を図ることができる。この構成の電子放出素子は、
素子の形成に際しその再現性が良く、素子間のバラツキ
も少ないことから、マルチソースとして電流密度がかせ
げるため、高輝度・高精細なＣＲＴ用電子源として用い
ることができる。さらに、基板を透明とし、結晶性配向
膜を透明導電体とすることにより、透過型平面ディスプ
レイの実現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る電子放出素子の構
造を示す断面図

【図２】（ａ）本発明の方法に使用する薄膜製造装置
を示す構成図（ｂ）堆積基板とターゲットとの間における現象を説
明するための図

【図３】本発明の実施の形態１に係る方法により得られ
た薄膜の電子顕微鏡写真

【図４】本発明の実施の形態１に係る方法により得られ
た薄膜のＸ線回折測定結果を示す図

【図５】結晶構造制御のメカニズムを説明するための図

【図６】本発明の実施の形態２に係る電子放出素子の構
造を示す断面図

【図７】本発明の実施の形態３に係る平面ディスプレイ
の構造を示す断面図

【図８】本発明の実施の形態４に係る透過型平面ディス
プレイの構造を示す断面図

【図９】従来の電界効果型電子放出素子の一例を示す概
略的部分断面図

【符号の説明】

１１、７１基板１２、６２絶縁層１３、６３金属層１４、６５結晶配向性薄膜６４干渉層７２、８２冷陰極７３、８３第一絶縁膜７４、８４第一ゲート電極７５、８５第二絶縁膜７６、８６第二ゲート電極７７、８７蛍光体層７８透明導電膜７９、８９面板８１透明基板８８アノード電極１０１反応室１０２超高真空排気系１０３マスフローコントローラ１０４ガス導入ライン１０５ガス排気系１０６ターゲットホルダ１０７ターゲット１０８パルスレーザ光源１０９堆積基板１１０レーザ導入窓１１１スリット１１２レンズ１１３反射鏡１１４プルーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木信靖大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者牧野俊晴大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者堀義和大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5C031 DD09 DD15 DD17 5C036 EE01 EE03 EF01 EF06 EF08 EG02 EG12 EH11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ターゲット材及び基板を反応室内に配置
する工程と、前記ターゲット材にビーム光を照射するこ
とにより前記ターゲット材近傍に形成される高温高圧領
域のサイズが最適となるように、前記反応室に導入する
雰囲気ガスの圧力（Ｐ）及び、前記基板と前記ターゲッ
ト材との間の距離（Ｄ）を調整する工程と、前記反応室
に前記圧力で前記雰囲気ガスを導入しながら、前記ター
ゲット材にビーム光を照射することにより励起し、脱離
した前記ターゲット材に含まれる物質を前記基板上に堆
積する工程と、を具備することを特徴とする冷陰極形成
方法。
【請求項２】前記雰囲気ガスの圧力（Ｐ）及び、前記
基板と前記ターゲット材との間の距離（Ｄ）は、ＰＤⁿ
＝一定（ｎは２〜３程度）にしたがって調整されること
を特徴とする請求項１記載の冷陰極形成方法。
【請求項３】前記雰囲気ガスが、不活性ガスであるこ
とを特徴とする請求項１または２記載の冷陰極形成方
法。
【請求項４】前記雰囲気ガスの圧力が、０．１〜１０
Ｔｏｒｒの範囲であることを特徴とする請求項１から３
のいずれかに記載の冷陰極形成方法。
【請求項５】前記ターゲット材を構成する材料が、少
なくとも２種類以上の組成から成ることを特徴とする請
求項１から４のいずれかに記載の冷陰極形成方法。
【請求項６】前記ターゲット材を構成する材料が、Ｌ
ａＢ₆、ＴｉＣ、ＳｉＣ、及びＳｎＣ等の化合物である
ことを特徴とする請求項５記載の冷陰極形成方法。
【請求項７】前記ターゲット材を構成する材料が、Ｔ
ｉＮ、ＢＮ、ＳｒＮ、ＺｒＮ、及びＨｆＮに代表される
窒化物であることを特徴とする請求項５記載の冷陰極形
成方法。
【請求項８】前記ターゲット材を構成する材料が、Ｉ
ｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂、ＷＯ
₃、及びＣｕＡｌＯ₂のいずれかの透明導電体であるこ
とを特徴とする請求項５記載の冷陰極形成方法。
【請求項９】電子放出部が、請求項１から８のいずれ
かに記載の方法で形成された、電子放出性材料の結晶配
向性薄膜から成る冷陰極から構成されることを特徴とす
る電子放出素子。
【請求項１０】電子放出部が、請求項１から８のいず
れかに記載の方法で形成された、電子放出性材料の結晶
配向性薄膜から成り、導電膜または抵抗膜から成る干渉
層を介して基板上に形成されていることを特徴とする電
子放出素子。
【請求項１１】冷陰極を構成する結晶配向性薄膜が、
ＬａＢ₆、ＴｉＣ、ＳｉＣ、及びＳｎＣ等の化合物であ
ることを特徴とする請求項９または１０記載の電子放出
素子。
【請求項１２】冷陰極を構成する結晶配向性薄膜が、
ＴｉＮ、ＢＮ、ＳｒＮ、ＺｒＮ、及びＨｆＮに代表され
る窒化物であることを特徴とする請求項９または１０記
載の電子放出素子。
【請求項１３】請求項９から１２のいずれかに記載の
電子放出素子を電子源としたことを特徴とするＣＲＴ。
【請求項１４】請求項９から１２のいずれかに記載の
電子放出素子を電子源としたことを特徴とする平面ディ
スプレイ。
【請求項１５】透明基板と、前記透明基板上に、請求
項１から８のいずれかに記載の方法で形成された、電子
放出性材料の結晶配向性薄膜から成る冷陰極とを備えて
いることを特徴とする電子放出素子。
【請求項１６】透明基板と、前記透明基板上に、請求
項１から８のいずれかに記載の方法で形成された、電子
放出性材料の結晶配向性薄膜から成り、導電膜または抵
抗膜から成る干渉層を介して基板上に形成されているこ
とを特徴とする電子放出素子。
【請求項１７】冷陰極を構成する結晶配向性薄膜が、
Ｉｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂、ＷＯ
₃、及びＣｕＡｌＯ₂からなる群より選ばれた透明導電
体であることを特徴とする請求項１５または１６記載の
電子放出素子。
【請求項１８】請求項１５から１７のいずれかに記載
の電子放出素子を電子源としたことを特徴とする透過型
平面ディスプレイ。