JP2004253201A - 電界放出型冷陰極およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】絶縁性基板1上に、エミッタ電極層2を形成し、このエミッタ電極層2上に、孔3aを有する絶縁シート3を配置し、この絶縁シート3上に、ゲート電極となる金属製のメッシュ4をマスク部材として配置し、メッシュ4を介して孔3a内のエミッタ電極層2上に、電子放出層5を、カソーディックアーク法などを用いて自己整合的に形成する。
【選択図】 図3
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、超薄型の平面ディスプレイであるFED(Field Emission Display)や小型の照明光源などの電子ビーム源として好適な電界放出型冷陰極およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電界放出型冷陰極を用いた超薄型の平面ディスプレイとして、真空中で電界をかけることで陰極から電子を放出させ、陽極に塗布した蛍光体に衝突させて発光させるFED(Field Emission Display)が知られている。
【0003】
このような電界放出型冷陰極は、基板上に微細加工技術により、複数のエミッタを形成し、絶縁層を介してその近傍に電子引き出し用のゲート電極層を配設し、ゲート電極層とエミッタとの間に電圧を印加することにより生じた電界によって、エミッタから電子放出を行わせるものである。
【0004】
このような電界放出型冷陰極では、例えば、エミッタとゲート電極層との配置は、ミクロンオーダーの精度が要求され、このような精密な位置合わせを、フォトレジストを用いて所定のパターンを基板上に焼き付けてそのパターンに応じた加工を行うフォトリソグフィー技術を用いて行うのは容易でない。
【0005】
したがって、製造方法を簡略化して製造コストの低減を図るためには、フォトリソグフィー技術を用いることなく、自己整合的にエミッタなどを形成することが好ましい。
【0006】
従来、自己整合技術を用いた電界放出型冷陰極の製造方法も提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
【0007】
図7は、この非特許文献1に開示されている製造方法を示す断面図である。
【0008】
この製造方法は、カソード、アノードおよびゲートの3極構造のFEDの電界放出型冷陰極を、リフトオフ法によって形成するものである。
【0009】
すなわち、先ず、図7(a)に示されるように、予めカソード20がパターン形成されたガラス基板21上に、絶縁層22およびゲート電極層23を形成する。次に、図7(b)に示されるように、ゲート電極層23に、絶縁層22が露出する孔24をエッチングによって形成する。さらに、図7(c)に示されるように、ゲート電極層23上に犠牲層25を形成し、図7(d)に示されるように、絶縁層22をエッチングし、図7(e)に示されるように触媒層26を形成する。このとき、触媒層26が、カソード20上に自己整合的に形成される。次に、図7(f)に示されるように、犠牲層25およびその上の触媒層26を除去する(リフトオフ)。
【0010】
このようにしてゲート電極層23に対して触媒層26を自己整合的に形成し、この触媒層26上に、エミッタとしてのカーボンナノチューブを触媒合成するものである。
【0011】
【非特許文献1】
M.Hirakawa、et al.,Fabrication of Triode Structure Graphite Na nofiber FED by Thermal CVD Method,Information Display Workshop02,December4−6,2002,p.1065−1068
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来例の製造方法では、ゲート電極層23上に犠牲層25を形成し、触媒層26を形成した後に、犠牲層25およびその上の触媒層26を除去するというステップが必要であるために、製造コストが増大し、また、触媒層26上に触媒合成されたカーボンナノチューブが、ゲート電極層23に接触し、動作時に、ゲート電極層に電流が流れる場合があり、電力消費が高くなるという難点がある。
【0013】
本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであって、犠牲層などを形成することなく、自己整合的に製造できる電界放出型冷陰極およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のよう構成している。
【0015】
すなわち、本発明の電界放出型冷陰極は、エミッタ電極層と、前記エミッタ電極層の表面に形成されかつ該エミッタ電極層の表面を露出させる孔を有する絶縁層と、開口を有する導電性のマスク部材からなり前記絶縁層によって前記エミッタ電極層から電気的に絶縁されるゲート電極と、前記絶縁層の前記孔から露出している前記エミッタ電極層の表面に形成された電子放出層とを含むものである。
【0016】
マスク部材は、エミッタ電極層上に電子放出層を形成する際にマスクになる部材であるとともに導電性を有してゲート電極となるものである。
【0017】
本発明によると、ゲート電極であるマスク部材を介してエミッタ電極層上に、電子放出層を自己整合的に形成できるので、電界放出型冷陰極の製造ステップを簡略化して製造コストの低減を図ることができる。
【0018】
一つの実施態様においては、前記マスク部材が、金属製のメッシュからなる。
【0019】
この実施態様により、ゲート電極となる金属製のメッシュをマスクとしてエミッタ電極層上に、電子放出層を形成することができる。
【0020】
一つの実施態様においては、前記絶縁層が絶縁シートで構成されるものである。
【0021】
この実施態様によると、孔を有する絶縁シートを絶縁層として用いているので、成膜装置を用いて絶縁層を成膜する必要がなく、製造コストを一層低減できる。
【0022】
一つの実施態様においては、前記マスク部材の開口は、前記絶縁層の前記孔に比べて開口面積が小さく、前記孔の上方に、前記マスク部材の前記開口および該開口以外の枠部分が位置し、前記電子放出層が、前記枠部分の直下を除いて形成されている。
【0023】
この実施態様では、エミッタ電極層が露出する孔の上方には、ゲート電極が位置するとともに、孔内には、ゲート電極の直下を除いてマスク部材の開口を介して形成された電子放出層が位置することになる。したがって、電子放出層の真上には、ゲート電極が位置することがなく、電子放出層から放出された電子が、ゲート電極に流れるのが抑制され、電力消費を低減できる。
【0024】
一つの実施態様においては、絶縁性の基板上にエミッタ電極層、絶縁層および金属製のメッシュからなるゲート電極がこの順序で設けられ、前記絶縁層には、前記エミッタ電極層が露出する孔が形成されているとともに、前記エミッタ電極層における前記孔が臨む表面に前記ゲート電極の直下を除いて電子放出層が形成されている。
【0025】
この実施態様では、ゲート電極である金属製のメッシュを介してエミッタ電極層上に、電子放出層を自己整合的に形成できるので、電界放出型冷陰極の製造ステップを簡略化して製造コストの低減を図ることができ、しかも、電子放出層の真上には、ゲート電極が位置することがなく、電子放出層から放出された電子が、ゲート電極に流れるのが抑制され、電力消費を低減できる。
【0026】
一つの実施態様においては、前記電子放出層が、炭素系材料で構成されている。
【0027】
ここで、炭素系材料とは、結晶性ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、アモルファスダイヤモンド、グラファイト、フラーレン等をいう。
【0028】
この実施態様によると、電子放出層として仕事関数(固体から真空中に電子を取り出すのに要する最小限の仕事の大きさ)が、小さい炭素系材料を用いることにより、低電界での電子放出が可能となって低電圧駆動が可能となる。
【0029】
本発明の電界放出型冷陰極の製造方法は、基板上に、エミッタ電極層を形成するステップと、前記エミッタ電極層上に、該エミッタ電極層が露出する孔を有する絶縁層を形成するステップと、前記絶縁層上に、ゲート電極となる開口を有するマスク部材を配置するステップと、前記マスク部材を介して前記孔内の前記エミッタ電極層上に、電子放出層を自己整合的に形成するステップとを備えている。
【0030】
本発明によると、ゲート電極となるマスク部材を介してエミッタ電極層上に、電子放出層を自己整合的に形成できるので、電界放出型冷陰極の製造ステップを簡略化して製造コストの低減を図ることができる。
【0031】
一つの実施態様においては、前記マスク部材が、金属製のメッシュである。
【0032】
この実施態様によると、ゲート電極層となる金属製のメッシュをマスクとしてエミッタ電極層上に、電子放出層を形成することができる。
【0033】
一つの実施態様においては、前記絶縁層を形成するステップは、前記孔を有する絶縁シートを前記エミッタ電極上に配置するものである。
【0034】
この実施態様によると、孔を有する絶縁シートを絶縁層として用いているので、成膜装置を用いて絶縁層を成膜する必要がなく、製造コストを一層低減できる。
【0035】
一つの実施態様においては、前記電子放出層を自己整合的に形成するステップは、カソーディックアーク法またはスパッタ法を用いて電子放出層を形成するものである。
【0036】
この実施態様によると、方位選択成長の傾向が強いカソーディックアーク法またはスパッタ法を用いてゲート電極となるマスク部材を介して電子放出層を形成するので、ゲート電極の直下には、電子放出層が形成されず、電子放出層から放出された電子が、ゲート電極に流れるのが抑制され、電力消費が低減される。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0038】
(実施の形態1)
図1は、本発明の一実施形態に係る電界放出型冷陰極の製造方法を示す概略斜視図である。先ず、図1(a)に示される、好ましくはガラスからなる絶縁性の基板1上に、エミッタ電極層2を、蒸着法、スパッタ法等によって、図1(b)に示されるように積層する。この基板1は、ガラス基板に限らず、セラミックス基板、石英基板などを好ましく使用できる。
【0039】
ガラス基板は、比較的安価に大面積化に対応できるので好ましいが、本発明の他の実施の形態として、導電性基板あるいは半導体基板を用いてもよい。
【0040】
エミッタ電極層2の材料として好ましくはAl、Cu、Cr、Niなどの金属材料、ITOなどの合金材料などを使用できる。エミッタ電極層2の厚さとしては、好ましくは数十nmないし数mmの範囲で設定され、より好ましくは数十nmないし1μmの範囲、更に好ましくは、50nmないし200nmの範囲で選択される。数十nm未満では、抵抗値が上がり、逆に1μmを越えると、成膜時間が長くなる。
【0041】
次に、エミッタ電極層2上に、同図(c)およびその一部拡大図である図2(a)に示されるように、ゲート電極となる後述の金属製のメッシュ4をエミッタ電極層2に対して絶縁する絶縁層(ゲート絶縁層)となる絶縁シート3を配置するとともに、この絶縁シート3をエミッタ電極層2に対して接着剤などを用いて固定する。絶縁シート3には、電子を放出するための、複数の直径1.2mmの円形貫通孔3aが形成されている。絶縁シート3は、好ましくはPTFE(ポリテトラフロロエチレン)シートであり、その厚みは、好ましくは1μmないし1000μmであり、より好ましくは10μmないし500μmである。1μm未満では、絶縁効果が不充分となり、逆に1000μmを越えると、高価な高電圧電源が必要となる。
【0042】
次に、図1(d)およびその一部拡大図である図2(b)に示されるように、絶縁シート3上に、ゲート電極となる金属製のメッシュ4を配置する。金属製のメッシュ4は、電子放出層を形成する際にマスク部材となる。実施形態の場合、このメッシュ4の形状は特に限定されないが、この実施形態では矩形格子状であり、矩形の多数の開口4aおよびこの開口4aを構成する複数の枠4bを有している。このメッシュ4は、その周縁部を接着剤やクランプ手段などによってゲート絶縁層3に固定される。メッシュ4は、例えば、SUS、Al、Ti、Cuなどから構成される。
【0043】
次に、図3の拡大断面図に示されるように、金属製のメッシュ4の上方、すなわち、基板に対して矢印で示す垂直上方向から方位選択成長の傾向が強い成膜手法、例えば、カソーディックアーク法やスパッタ法によって、電界電子放出材料を成膜して電子放出層5を自己整合的に形成する。
【0044】
電子放出層5の材料は、例えば、結晶性ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、アモルファスダイヤモンド、グラファイト、フラーレン等から適宜選択される。
【0045】
電子放出層5の膜厚としては、好ましくは数nmから数μmの範囲で設定され、より好ましくは数nmから数百nmの範囲で選択される。
【0046】
このように、ゲート電極として金属製のメッシュ4を用い、このメッシュ4を介して、カソーディックアーク法などの方位選択成長の強い成膜手法を用いて電子放出層5を形成するので、上述の従来例のように、犠牲層を設けてそれを除去する必要がなく、ステップが簡素化され、製造コストの低減を図ることができる。
【0047】
また、方位選択成長の傾向が強いカソーディックアーク法やスパッタ法を用いて電子放出層5を自己整合的に成膜するので、図3に示されるように、ゲート電極である金属製のメッシュ4の枠4b直下を除いて電子放出層5が島状に形成されることになり、電子放出層5から放出された電子が、ゲート電極に流れるのが抑制されることになり、これによって、電力消費を低減できる。
【0048】
さらに、絶縁シート3の均等に配置された孔3a内に、メッシュ4の均等な開口4aを通して電子放出層5が自己整合的に形成されるので、電子放出量を面内において、均一化することができる。
【0049】
この実施の形態に用いる絶縁シート3の孔3aは、サイズが大きく、間隔が小さいほど、開口率が大きくなり、エミッション電流を増やすことができるが、サイズが大き過ぎると、絶縁シート3上に配置されるゲート電極である金属製のメッシュ4が撓んで、エミッタ電極層2に接触する虞がある。すなわち、孔3aのサイズは、ゲート電極となる金属製のメッシュ4の撓み強度に関係し、例えば、40メッシュ/インチの金属製メッシュの場合には、孔3aの直径は、例えば、5mm以下であるのが好ましい。
【0050】
また、孔3aの間隔については、絶縁シート自体の形状を保持するために、絶縁シート3の厚み以上の間隔、すなわち、アスペクト比(=厚さ/孔の間隔)が、1以下であるのが好ましく、この実施の形態では、絶縁シート3の厚みである0.1mm以上であることが好ましい。
【0051】
なお、絶縁シート3の孔3aは、円形に限らず、多角形、スリット形状、楕円形、円形の一部などの他の形状であってもよい。
【0052】
また、本発明の他の実施の形態として、ゲート絶縁層は、成膜技術を用いて形成してもよい、すなわち、エミッタ電極層2の上に、ゲート絶縁層をCVDや蒸着法によって成膜し、ゲート絶縁層上に孔を形成するためのマスクパターンを形成し、エッチングによって孔を形成してもよい。
【0053】
この実施の形態のように絶縁シート3を用いることによって、成膜装置を必要とせず、製造コストの低減を図ることができるとともに、大面積への対応も容易となる。
【0054】
この実施の形態の金属製のメッシュ4の目の粗さ、すなわち、1平方インチ当たりのメッシュの数は、例えば、40メッシュ/インチである。このメッシュ4は、その目の粗さが緻密であるほど、ゲート電極層となる枠4bの数が増えることになり、開口4aを通して島状に形成される電子放出点が増えることになるが、開口4aを通して電子放出層5を成膜するには、適度な開口(隙間)が必要である。
【0055】
この金属製のメッシュ4の好ましい粗さとしては、絶縁シート3の孔3aの上に、少なくとも1本のゲート電極層を配置するために、前記孔3aのサイズよりも緻密であるのが好ましい。すなわち、メッシュ4の開口4aの開口面積は、絶縁シート3の孔3aの開口面積よりも小さい方が好ましい。
【0056】
なお、本発明の他の実施の形態として、金属製のメッシュ4に代えて、多数の開口が形成された金属製の薄板などをマスク部材として用いてもよい。
【0057】
【実施例】
次に、具体的な実施例について、上述の図1を参照しながら説明する。
【0058】
先ず、75×75mmサイズのガラス基板1上の65×70mmの領域に、加熱蒸着により、アルミのエミッタ電極層2を形成する。
【0059】
次に、エミッタ電極層2上の65×60mmの領域に、シーディングを行った。シーディング液は、メタノール希釈、10carat/litterの200nmグラファタイズドナノダイヤ(型式:PM200)を用い、スプレイ法により塗布した。なお、シーディング処理は、省略してもよい。
【0060】
シーディングしたガラス基板1に、ゲート絶縁層として絶縁シート3、ゲート電極となる金属製のメッシュ4を重ねて配置した。
【0061】
絶縁シート3は、厚さ100μmのPTFE(ポリテトラフロロエチレン)シートを用いた。図4に示されるように、絶縁シート3の40×40mmの領域において、直径1.2mmの孔3aが、約3.5mm間隔(128個/16cm2=8個/cm2)で空いている。
【0062】
この絶縁シート3の厚みのバラツキは、例えば、±1%以内であることが好ましく、この実施の形態では、±1μm以内であるのが好ましい。
【0063】
次に、40mm×40mmの矩形の開口を有する保護用のPTFE(ポリテトラフロロエチレン)および保護用のアルミ箔によって、電子放出層の成膜領域(40mm×40mm)以外を保護したガラス基板1を、カソーディックアーク成膜装置のチャンバー内に導入した。カソーディックアーク成膜装置は、株式会社ニチメン製の型式CAPSSを用いた。
【0064】
カソーディックアーク成膜装置内においては、図5に模式的に示すように、エミッタ電極層2はグランド、ゲート電極である金属製のメッシュ4は浮遊電位、上述の保護用のアルミ箔7はグランドに接地した。なお、6は上述の保護用のPTFE(ポリテトラフロロエチレン)である。
【0065】
カソーディックアーク法により、電子放出層としてsp2結合を有する炭素膜を120秒、sp3結合を有する炭素膜を10秒間成膜した。すなわち、この実施例では、sp2結合を有する炭素膜上にsp3結合を有する炭素膜が積層された複合炭素膜を、電子放出層とした。
【0066】
下記の表1に、カソーディックアーク法による成膜条件を示す。
【0067】
【表1】
表1に示されるように、ベース圧力1.82×10−6Paとなった時点でH2ガスを、1.03×10−5Paとなるまで導入し、加えてN2ガスを、1.04×10−1Paとなるまで導入し、加えてHeガスを、100〜200Paになるまで導入した。ここで、成膜電力は、4.8kVのパルス電圧をターゲットであるカーボングラファイトに印加し、120秒間の成膜を行った。これにより、sp2結合の炭素膜が形成された。
【0068】
引き続いて、導入ガスを止め、ベース圧力2.14×10−6Paとなった時点で、成膜電力4.32kVを5秒間、ターゲットであるカーボングラファイトに印加し、sp3結合の炭素膜を、成膜した。印加するパルス波形は、パルス周期5Hz、デューティー比は、1/100であった。
【0069】
sp2結合を有する炭素は、グラファイト的であって導電性を示す一方、sp3結合を有する炭素膜は、ダイヤモンド的であって絶縁性および極めて低い電子親和力ないし負性電子親和力を示す。この実施例の複合炭素膜では、電界が集中すると、薄い膜であるsp3結合を有する炭素膜は、そのエネルギーバンド構造に傾斜が生じて隣接したsp2結合を有する炭素からの電子のトンネリングが可能となってsp3結合を有する炭素膜のコンダクションバンド(伝導帯)に電子が注入されて瞬時に真空中に放出されることになり、これによって、電子放出の性能が向上して放出開始電圧を低くできることになる。
【0070】
次に、以上のようにして製造された電界放出型冷陰極と、ガラス基板8上にITO等からなる透明なアノード電極9および蛍光体10が形成されたアノード基板とを用いて図6のような断面構成を有する平面光源を作成した。
【0071】
カソード基板である電界放出型冷陰極とアノード基板との間のスペーサには、厚さ0.1mmで直径36mmの開口を有するPTFE11および厚さ0.7mmの2枚のガラス基板12を用い、カソードであるエミッタ電極層2とアノードである蛍光体10との間の電極間距離1.6mm(=0.1mm+0.7mm×2+0.1mmt)を形成した。このとき、カソードであるエミッタ電極層2とゲート電極層である金属製のメッシュ4との間距離は、絶縁シート3の厚みである0.1mmとなる。
【0072】
カソードであるエミッタ電極層2とゲート電極である金属製のメッシュ4との間に、1000Vまでの電圧を印加した。800V以上で発光を確認し、印加電圧を増やすことで、輝度および電子放出点が増加した。
【0073】
(その他の実施の形態)
上述の実施の形態では、絶縁シート3の孔3a内において、金属製のメッシュ4の枠4bの直下には、電子放出層5が形成されないようにしたけれども、本発明の他の実施の形態として、絶縁層の孔のサイズを小さくし、孔内のエミッタ電極層2の上面の全面に電子放出層5を成膜してもよい。この場合には、カソーディックアーク法やスパッタ法のような方位選択成長の傾向が強い成膜手法に限らず、熱CVDやプラズマCVDなどの成膜手法を用いてもよい。
【0074】
また、ゲート電極となる金属製のメッシュ4の枠4bは、必ずしも絶縁シート3の孔3aの上方に位置する必要はなく、孔3aの周辺部にあってもよい。
【0075】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ゲート電極である金属製のメッシュなどのマスク部材を介してエミッタ電極層上に、電子放出層を自己整合的に形成できるので、電界放出型冷陰極の製造ステップを簡略化して製造コストの低減を図ることができる
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の製造方法を示す斜視図である。
【図2】図1(c),(d)の一部拡大図である。
【図3】電子放出層が成膜された状態を示す断面図である。
【図4】絶縁シートの平面図である。
【図5】カソーディックアーク法による成膜の模式図である。
【図6】図1の電界放出型冷陰極を用いた平面光源の模式図である。
【図7】従来例の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
1 絶縁性基板
2 エミッタ電極層
3 絶縁シート
4 金属製のメッシュ
5 電子放出層
9 アノード電極
10 蛍光体
Claims (10)
- エミッタ電極層と、
前記エミッタ電極層の表面に形成されかつ該エミッタ電極層の表面を露出させる孔を有する絶縁層と、
開口を有する導電性のマスク部材からなり前記絶縁層によって前記エミッタ電極層から電気的に絶縁されるゲート電極と、
前記絶縁層の前記孔から露出している前記エミッタ電極層の表面に形成された電子放出層と、
を含む、電界放出型冷陰極。 - 前記マスク部材が、金属製のメッシュからなる請求項1記載の電界放出型冷陰極。
- 前記絶縁層が、絶縁シートにより構成される請求項1または2記載の電界放出型冷陰極。
- 前記ゲート電極を構成するマスク部材に設けられている開口は、前記絶縁層の前記孔に比べて開口面積が小さく、前記孔の上方に、前記マスク部材の前記開口および該開口以外の枠部分が位置し、前記電子放出層が、前記枠部分の直下を除いて形成されている請求項1ないし3のいずれかに記載の電界放出型冷陰極。
- 絶縁性の基板上にエミッタ電極層、絶縁層および金属製のメッシュからなるゲート電極がこの順序で設けられ、前記絶縁層には、前記エミッタ電極層が露出する孔が形成されているとともに、前記エミッタ電極層における前記孔が臨む表面に前記ゲート電極の直下を除いて電子放出層が形成されている電界放出型冷陰極。
- 前記電子放出層が、炭素系材料で構成されている請求項1ないし5のいずれかに記載の電界放出型冷陰極。
- 基板上に、エミッタ電極層を形成するステップと、
前記エミッタ電極層上に、該エミッタ電極層が露出する孔を有する絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁層上に、ゲート電極となる開口を有するマスク部材を配置するステップと、
前記マスク部材を介して前記孔内の前記エミッタ電極層上に、電子放出層を自己整合的に形成するステップと、
を備える電界放出型冷陰極の製造方法。 - 前記マスク部材が、金属製のメッシュである請求項7記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
- 前記絶縁層を形成するステップは、前記孔を有する絶縁シートを前記エミッタ電極層上に配置するものである請求項7または8記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
- 前記電子放出層を自己整合的に形成するステップは、カソーディックアーク法またはスパッタ法を用いて電子放出層を形成するものである請求項7ないし9のいずれかに記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
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Cited By (15)
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