JP2004281159A - Method for patterning carbon fiber - Google Patents

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JP2004281159A JP2003069202A JP2003069202A JP2004281159A JP 2004281159 A JP2004281159 A JP 2004281159A JP 2003069202 A JP2003069202 A JP 2003069202A JP 2003069202 A JP2003069202 A JP 2003069202A JP 2004281159 A JP2004281159 A JP 2004281159A
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和也 宮崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a patterning method of a film that simplifies the manufacturing process of an electron discharge element, can inexpensively manufacture an image forming apparatus having excellent display quality for a long term, and is made of carbon fibers. <P>SOLUTION: The patterning method includes a step for preparing a substrate 1 whose surface has a lift-off layer 7 and a catalyst layer 6 arranged in a region in which the lift-off layer 7 is not arranged (A), a step for forming a plurality of carbon fibers 4 on the surface of the substrate in the region where at least the catalyst layer 6 is arranged by heating the substrate 1 in an atmosphere containing a hydrocarbon gas (B), and a step for removing the lift-off layer 7 after the step (B) (C). <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンファイバーのパターニング方法に関するものであり、さらに電子放出素子の製造方法、および電子放出素子を多数配置してなる電子源の製造方法、並びに電子源を用いて構成した表示装置などの画像形成装置、さらにランプなどの発光装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、CNT(Carbon Nano Tube)等のカーボンファイバーを電子放出素子として利用する動きが活発である。CNT等のカーボンファイバーはナノサイズの直径を有しながらミクロン単位の長さを有しているため、極めて尖鋭なアスペクト比の大きい形状をしている。カーボンファイバーを電子放出部材として利用し、引き出し電極を対向させ、該引出し電極に正電圧を印可すると、カーボンファイバーの先端部にて電界強調効果が起き、数V/μm程度の極めて低い電界強度で電子を放出できる。
【0003】
このカーボンファイバーを用いた電子放出素子をFED(Field Emission Display)の電子源として利用する動向がある(特許文献1、特許文献2など参照)。上記特許文献においては、まずアーク放電法などで予めCNTを作製し、このCNTをホトレジストなどの溶媒に混ぜてペーストを作成し、該ペーストを印刷などの方法で所望の位置に配置する方法などが開示されている。さらに特許文献3では予め用意したCNTを基板に塗布、圧着、埋め込みなどの方法で基板にCNTを据え付けて、これをリソグラフィー技術でパターニングする技術が提案されている。また、基板上にNi、Fe、Coなどの触媒を配置し、該基板を炭化水素雰囲気中で加熱することで、基板上に直接カーボンファイバーを成長させる方法(「シード法」と呼ばれる)も、特許文献4や、非特許文献1等に開示されている。この方法は簡単にカーボンファイバーを備えた電極を作製できるため、コスト低減などに役立つ技術である。また、上記シード法を用いて電子源を作製する方法が特許文献5に記載されている。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−90809号公報
【特許文献2】
特開2000−204304号公報
【特許文献3】
特開平10−149760号公報
【特許文献4】
特開2001−28625号公報
【特許文献5】
特許第2903290号公報
【非特許文献1】
Science Vol.283 (1999)513
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前述のようにカーボンファイバーのパターニング方法は色々考え出されているが、それぞれ一長一短あるために一般的には未だ確立していない部分である。特に、シード法を用いて、配向特性を持たないカーボンファイバーを形成する場合には、触媒の配置領域を予め設計するだけでは、基板上に成長するカーボンファイバーの成長領域までも高精度に制御することは困難であった。すなわち、配向性を持たないカーボンファイバーは、基板上の成長起点となる触媒微粒子から任意な方向に成長する。このため、このようなカーボンファイバーを用いた電子放出素子、電子源、ディスプレイ等を作製した場合、個々の電子放出素子の電子放出特性バラツキ等が生じることがあった。カーボンファイバーを用いた電子放出素子は以上述べた課題を解決し、更なる特性向上、簡易・安価な作製プロセスを提案することが望まれている。
【0006】
そこで、本発明は、上記課題を解決するものであって、特にカーボンファイバーの厳密な位置制御を行うことができ、また電子放出素子の製造工程も簡略化可能で、かつ電子放出特性の改善をも行うことのできるカーボンファイバーのパターニング方法、電子放出素子、電子源、画像形成装置並びに発光装置の製造方法を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述する課題を解決するために鋭意検討を行ってなされたものであり、下述する構成のものである。
【0008】
即ち、本発明は、多数のカーボンファイバーからなる膜のパターニング方法であって、(A)リフトオフ層と、前記リフトオフ層が配置されていない領域に配置された触媒層とを、その表面に有する基体を用意する工程と、(B)炭化水素ガスを含む雰囲気中で前記基体を加熱することにより、少なくとも前記触媒層が配置されていた領域内の前記基体表面上に複数のカーボンファイバーを形成する工程と、(C)前記工程(B)の後に、前記リフトオフ層を除去する工程と、を有することを特徴とする。
【0009】
また、本発明は、多数のカーボンファイバーを有する電子放出素子の製造方法であって、(A)電極層と、該電極層の表面の一部を覆うリフトオフ層と、前記リフトオフ層に覆われていない前記電極層の表面に配置された触媒層と、を有する基体を用意する工程と、(B)炭化水素ガスを含む雰囲気中で前記基体を加熱することにより、少なくとも前記触媒層が配置されていた領域内の前記電極層上に複数のカーボンファイバーを形成する工程と、(C)前記工程(B)の後に、前記リフトオフ層を除去する工程と、を有することを特徴とする。
【0010】
上記本発明の多数のカーボンファイバーからなる膜のパターニング方法、及び、電子放出素子の製造方法においては、前記基体を加熱する温度が600℃未満であることが好ましい。また、前記触媒が、Pd、Co、Ni、Feのいずれかを含むことが好ましい。そしてまた、前記リフトオフ層が、PSG、BSG、BPSGのいずれかから構成されてなることが好ましい。
【0011】
また、本発明は、複数の電子放出素子を有する電子源の製造方法であって、前記電子放出素子が上記本発明の電子放出素子の製造方法により製造されることを特徴とする。
【0012】
また、本発明は、電子源と、発光部材とを有する画像形成装置の製造方法であって、前記電子源が上記本発明の電子源の製造方法により製造されることを特徴とする。
【0013】
さらに、本発明は、電子放出素子と、発光部材とを有する発光装置の製造方法であって、前記電子放出素子が上記本発明の電子放出素子の製造方法により製造されることを特徴とする。
【0014】
本発明によれば、従来困難であった配向性の低いカーボンファイバーの集合体からなる膜のマクロ的な形態を精密にパターニングすることが可能である。そのため、この方法を用いて電子放出素子、電子源、画像形成装置等を作製した場合、複数の電子放出素子間の特性バラツキを減じることが可能である。さらにパターニング・プロセスは簡易かつ安価なものであるため、本発明の電子放出素子を複数配置した電子源、画像形成装置(ディスプレイ)、並びにランプなどの発光装置を安価かつ簡易に作製することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の多数のカーボンファイバーからなる膜のパターニング方法、これを用いた電子放出素子、電子源、画像形成装置および発光装置の製造方法について、好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。同様に以下に記述する製造工程も唯一のものではない。
【0016】
尚、本発明における「カーボンファイバー」或いは「カーボンを主成分とするファイバー」とは、カーボンを主体としており、直径と長さの比が大きい(典型的にはアスペクト比(長さ/直径)が10以上、好ましくは100以上、さらに好ましくは1000以上である)部材を指す。カーボンファイバーの具体的な物質例としては、カーボンナノチューブ(CNT)、グラファイトナノファイバー(GNF)、アモルファスカーボンファイバー、ダイアモンドファイバーあるいはこれらが不定比の割合で混合したものをも含む。
【0017】
カーボンナノチューブには、「シングルウォールカーボンナノチューブ(SWCNT)」と、「マルチウォールカーボンナノチューブ(MWCNT)」とがある。
【0018】
CNTは基本構造として、グラフェンシートを筒状(円筒状)に丸めたものを指している。このグラフェンシートの筒1つで成り立っているファイバーがSWCNTであり、グラフェンシートの筒が、他のグラフェンシートの筒の中に入っているものがMWCNTである。そのため、CNTは、その軸方向(ファイバーの長手方向)に対して実質的に垂直方向にc軸が配置されることになる。
【0019】
一方、GNFは、グラフェン(上述したCNTにおけるグラフェンシートよりも小さい)がファイバーの軸方向(長手方向)に積層されたものを指している。このため、GNFは基本的に、ファイバーの軸方向(ファイバーの長手方向)に対して、グラフェンのc軸が非平行になるように、複数のグラフェンが積み重なっているものを指している。ファイバーの軸方向(ファイバーの長手方向)に対してc軸が略平行になっているものがプレートレット型のGNFであり、円錐状のグラフェンがファイバーの軸方向に積み重なっているものがヘリングボーン型と呼ばれる。ヘリングボーン型には、V字状のグラフェンシートがファイバーの軸方向に積み重なった形態も含まれる。
【0020】
以下、本発明の実施の形態に係る多数のカーボンファイバーからなる膜のパターニング方法を用いた電子放出素子の製造方法について、図面を参照して詳しく説明する。
【0021】
図1は本発明の製造方法を用いて作製した電子放出素子の一例を表す模式図であり、図1(a)はその平面図であり、図1(b)は図1(a)中のA−A’断面図である。4はエミッター材料(「電子放出材料」、「電子放出部材」)であるカーボンファイバーである。
【0022】
図1においては、陰極電極3と引出し電極2が基体1の表面上に間隔を置いて配置され、陰極電極3表面の特定部位に複数のカーボンファイバーからなる膜4が配置されている電子放出素子の例を示しているが、素子の構成としてはこの例に限るものではなく、例えば図2、図3のような構成にも適用することが可能である。
【0023】
図2は陰極電極3を引出し電極2の上層に配置した素子構成の例で、図3は陰極電極3を引出し電極2の下層に配置した素子構成の例である。5は陰極電極3と引出し電極2の層間絶縁層である。
【0024】
以下の工程(1)〜(5)に示すように、図4を用いて図1で示した構成の電子放出素子の製造方法の一例について説明する。
【0025】
(1) 基体1を洗剤、純水および有機溶剤等を用いて十分に洗浄し、真空蒸着法、スパッタ法等により電極材料を堆積する。その後、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて基体1上に引出し電極(ゲート電極)2、陰極電極(カソード電極)3を形成する(図4(a))。
【0026】
基体1としては、石英ガラス、Na等の不純物含有量を減少させてKなどに一部置換したガラス、青板ガラスの上あるいはシリコン基板等の上にスパッタ法等によりSiOを積層した積層体、アルミナ等のセラミックス等、を用いることができる。
【0027】
引出し電極2と陰極電極3は機能的に異なるので別の材料を用いても良いし、陰極電極3と同一の材料を引き出し電極2の材料に用いても構わない。材料としては、炭素、金属、金属窒化物、金属炭化物、金属硼化物、半導体、半導体の金属化合物等から適宜選択される。陰極電極3としては、Ti,Zr,もしくはNbの中から選ばれた材料の酸化物を少なくともその表面に有する形態が好ましい。これらの材料は、充分に低抵抗であること、カーボンファイバーの成長を阻害しない或いは成長を促進する材料であること、さらにカーボンファイバーとの良好な電気的接続をする材料であること等の理由から選択される。
【0028】
(2) 引き出し電極2、陰極電極3を設けた基体1上に、カーボンファーバーのリフトオフ層7を堆積し、フォトリソグラフィー技術によってカーボンファイバーを形成したい領域のリフトオフ層7を除去する(図4(b))。
【0029】
リフトオフ層7は、カーボンファーバーとほぼ同等の膜厚まで形成するために高速成膜性および高速エッチング性、基体あるいは電極とのエッチング選択性、またカーボンファイバーの成長温度におけ耐熱性等が性能要件となる。特に好適なリフトオフ層材料は、PSG(Phosphosilicate glass),BSG(Boronsilicate glass),BPSG(Boron−Phosphosilicate glass)が挙げられる。PSG膜中のリン濃度は膜応力やエッチング速度等から最適化される。一般にリン濃度が小さい程内部応力が大きい。また、リン濃度が大きいほど表面不安定となるがエッチング速度は速くなる。カーボンファイバーのリフトオフ層として最適なPSG膜中のリン濃度はおよそ6〜10wt%である。通常、カーボンファイバー(特にGNF)は、触媒核(触媒粒子)からランダムな方向に成長する。そのため、リフトオフ層7の膜厚を、最終的に得ようとしているカーボンファイバーの集合体からなる膜の膜厚と同等に形成しておくことで、カーボンファイバーの横方向(基板1の表面と平行な方向)への成長を抑制することができ、精度よく成長を制御することが可能となる。
【0030】
(3) リフトオフ層7に開口を形成した基体1に多数の触媒粒子6を堆積する(図4(c))。
【0031】
触媒微粒子は、Fe,Co,Ni,Pd若しくはこれらの中から選択された材料の合金(特に好適にはPdとCoの合金)が好ましく用いられる。触媒粒子の形成方法としては、一般的な真空蒸着法、触媒粒子分散溶媒の塗布、有機金属錯体溶液の塗布等を用いることができる。
【0032】
(4) 触媒粒子を堆積した基体1は、一酸化炭素、二酸化炭素、種々の炭化水素ガス、好ましくはこれらのガスと水素の混合雰囲気中で400℃から600℃程度に加熱される。このようにすることにより、カーボンファイバーを基体1上に形成する(図4(d))。
【0033】
炭化水素ガスとしては、例えば、エチレン,メタン,プロパン,プロピレン、あるいはエタノールやアセトンなどの有機溶剤の蒸気を用いることができる。
【0034】
(5) カーボンファイバーを形成した基体1を、リフトオフ層7に対するエッチャントに浸漬することにより、リフトオフ層7およびリフトオフ層7上のカーボンファイバーを除去する(図4(e))。
【0035】
リフトオフ層7としてPSG、或いはBPSGを用いたとき、エッチャントとしてはPエッチ液を使用する。Pエッチ液(Pliskin echant)は、70%HNO:49%HF:HO=3:2:60(体積比)なる組成を持つ酸溶液で、PSGのみを非常に高速かつ選択的にエッチングする能力を持つ、優れたエッチャントである。また、リフトオフ層7としてBSGを用いたとき、エッチャントとしては希HF溶液を使用する。これは49%HF:HO=1:2(体積比)なる組成を持つ酸溶液で、緩衝HF(Buffered HF)と比較してエッチングレートが10倍以上早いという特徴がある。
【0036】
以上の工程(1)〜(5)を経て得られた本発明の電子放出素子に関して、電子放出点位置とその動作について図5および図6を用いて説明する。
【0037】
上記工程(1)〜(5)を経て得られた本発明の電子放出素子を、図5に示す真空装置60に設置し、真空排気装置によって10−4Pa程度に到達するまで十分に排気した。そして、高電圧電源を用いて、基板1から数mmの高さHの位置に陽極(以下、「アノード」と称する)61を設け、数キロボルトからなる高電圧Vaを印加した。なお、アノード61には導電性フィルムを被覆した蛍光体62が設置されている。電極2と電極3間に印加する駆動電圧Vfとして、数十V程度からなるパルス電圧を印加して、引き出し電極2と陰極電極3の間に流れる素子電流Ifと、アノード61に流れる電子放出電流Ieを計測した。
【0038】
尚、当然ではあるが、駆動電圧Vfは、陰極電極3よりもゲート電極2に印加する電位の方が高い。この時、最も電界の集中する部分は電子放出材料であるカーボンファイバー4の最もアノード61側であって、かつ電極2と電極3とのギャップ(間隙)の最も内側の部分である。この電界集中点の近傍に位置する電子放出材料の中で最も電界集中する場所から電子が放出されると考えられる。素子のIe特性は図6に示すような特性であった。すなわち印加電圧の約半分からIeが急激に立ち上がり、不図示のIfはIeの特性に類似していたが、その値はIeと比較して十分に小さな値であった。この電子放出特性により、同一基板上にマトリックス状に上記電子放出素子を複数配した電子源を構成し、所望の素子を選択して駆動するマトリックス駆動が可能である。
【0039】
以下、この原理に基づき、本発明の実施の形態に係る電子放出素子を複数配して得られる電子源および画像形成装置について、図7から図9を用いて説明する。
【0040】
図7は本発明の実施の形態に係る電子源の模式的平面図であり、図8は本発明の実施の形態に係る画像形成装置の一部破断斜視図である。
【0041】
図7において、81は電子源基体、82はX方向配線、83はY方向配線である。また、84は本発明の実施の形態に係る電子放出素子、85は結線である。図7において、m本のX方向配線82はDX,DX,・・・DXからなる。ただし、配線の材料、膜厚、巾は、適宜設計される。一方、Y方向配線83は、DY,DY・・・DYのn本の配線よりなり、X方向配線82と同様に形成される。これらm本のX方向配線82とn本のY方向配線83との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に分離している(m,nは、共に正の整数である)。
【0042】
本発明の実施の形態に係る電子放出素子84は、m本のX方向配線82とn本のY方向配線83と結線85によって電気的に接続される。X方向配線82には、走査信号を印加する不図示の走査信号印加手段が接続される。一方、Y方向配線83には、各電子放出素子から放出される電子の量を変調するための不図示の変調信号発生手段が接続される。上記構成によって、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とすることができる。
【0043】
図7に示したマトリクス配置の電子源を用いて構成した画像形成装置の一例について、図8を用いて説明する。図8は、ガラス基板材料としてソーダライムガラスを用いた画像形成装置の表示パネルを示している。図8において、81は電子放出素子を複数配した電子源基体、91は電子源基体81を固定したリアプレート、96はガラス基体93の内面に蛍光膜94とメタルバック95が形成されたフェースプレートである。また、92は支持枠であり、この支持枠92には、リアプレート91、フェースプレート96がフリットガラス等を用いて接続されている。97はフェースプレート96と支持枠92とリアプレート91とで構成される外囲器である。84は各電子放出素子であり、82,83は、図7で示したX方向配線およびY方向配線である。また、フェースプレート96とリアプレート91との間に、スペーサーとよばれる不図示の支持体を設置することにより、大気圧に対して十分な強度をもつ外囲器97を構成できる。
【0044】
【実施例】
次に、上記実施の形態に基づくより具体的な実施例を詳細に説明する。
【0045】
[実施例1]
本実施例は、実施の形態の中の図1に示した電子放出素子の構成を本発明の製造方法によって作製した例である。
以下に、図4を用いて本実施例に係わる電子放出素子の製造工程を詳細に説明する。
【0046】
(工程1)基体1に石英基板を用いて十分洗浄を行った後、引出し電極2及び陰極電極3を形成するために、はじめに基板全体にスパッタ法により不図示の厚さ100nmのTiを蒸着した。引き続き、不図示のポジ型フォトレジスト(AZ1500/クラリアント社製)を用いてフォトリソグラフィーにより、レジストパターンを形成した。パターニングした前記フォトレジストをマスクとして、Ti膜に対してArガスを用いたドライエッチングを行い、電極ギャップ間(間隙の幅)が5μmからなる引出し電極2、および陰極電極3をパターニングした(図4(a))。
【0047】
(工程2)次にリフトオフ層となるPSG膜を熱CVD法により形成した。基板温度350℃にて、TEOS(流量9SLM、温度65℃)、TMOP(流量4SLM、温度60℃)をオゾン(90gN/m)とともに導入して成膜し、膜厚2μmとした。このとき成膜レートは90nm/minであり、PSG2μmの成膜に要する時間は約21分であり、非常に高速に成膜することが可能である。また、このときのPSG膜中のリン濃度をμ−ESCAにて確認したところ、8wt%であった。
【0048】
引き続き、不図示のポジ型フォトレジスト(AZ1500/クラリアント社製)を用いてフォトリソグラフィーにより、レジストパターンを形成した。パターニングした前記フォトレジストをマスクとして、PSG膜に対してCF+Hガスを用いたドライエッチングを行い、カーボンファイバー形成部位となる位置に開口を形成した(図4(b))。
【0049】
(工程3)次にカーボンファイバーの成長触媒として、Pd−Co合金の微粒子膜をスパッタリング法により形成した。引き続き、基板を加熱し、直径3〜10nmの触媒微粒子が形成された(図4(c))。
【0050】
(工程4)次に窒素希釈したエチレン気流中で、500℃で加熱処理をした。これを走査電子顕微鏡で断面観察すると、直径10nm〜25nm程度で屈曲しながら繊維状に伸びた多数のカーボンファイバーが厚さ1.5μm程度で密集している形態が形成された(図4(d))。
【0051】
(工程5)次にPSG膜上の不要なカーボンファイバーをPSG膜のエッチャントであるPエッチ液を使用してリフトオフした。このときのエッチング速度は340nm/minであり、リフトオフに要した時間は約6分であり非常に高速でかつ選択性良くカーボンファイバーを除去できた。また、これを走査電子顕微鏡で断面観察すると、パターン端のカーボンファイバーは水平方向(基板表面と平行な方向)にはあまり広がらず、成長した時点の形状をほぼ保持した状態で密集していた(図4(e))。
【0052】
以上のようにして作製した電子放出素子を図5に示すような真空装置60に設置し、真空排気装置によって2×10−5Paに到達するまで十分に排気した。そして、図5に示したように、素子からH=2mm離れた陽極(アノード)電極61に、陽極(アノード)電圧としてVa=10kVを印加した。このとき素子には駆動電圧(電極2,3間に印加する電圧)を印加して、流れる素子電流Ifと電子放出電流Ieを計測した。
【0053】
素子のIf及びIe特性は、図6に示すような特性であった。すなわち印加電圧の約半分からIeが急激に増加し、約1μAの電子放出電流Ieが測定された。一方IfはIeの特性に類似していたが、その値はIeと比較して一桁以上小さな値であった。得られたビームはY方向に細長くX方向に短い略矩形形状であった。
【0054】
また、素子の駆動初期から安定な放出特性が得られ、素子間の特性バラツキはσ/μ=2.8%であった。
【0055】
以上のように、本実施例に係わるカーボンファイバーのパターニング方法を用いた電子放出素子の製造方法をとることにより、簡易・安価な作製プロセスを用いながら、電子放出効率が高く安定な特性を持った電子放出素子が実現できた。
【0056】
[実施例2]
本実施例は、実施の形態の中の図2に示した電子放出素子の構成を本発明の製造方法によって作製した例である。
以下に、本実施例に係わる電子放出素子の製造工程を詳細に説明する。
【0057】
(工程1)基体1にガラス基板を用いて十分洗浄を行った後、引出し電極2を形成するために基板全体にスパッタ法により、Ptを蒸着した。引き続き、不図示のポジ型フォトレジスト(AZ1500/クラリアント社製)を用いてフォトリソグラフィーにより、レジストパターンを形成した。パターニングした前記フォトレジストをマスクとして、ドライエッチングを行い、引出し電極2をパターニングした。
【0058】
(工程2)次にスパッタ法により層間絶縁層となるSiOを1μm、陰極電極となるTiを100nm蒸着した。工程1と同様のフォトリソグラフィーによりレジストマスクを形成した後、Ti膜に関してはSFガス、SiOに関してはCF+Hガスを用いたドライエッチングを行い、層間絶縁層5および陰極電極3をパターニングした。
【0059】
(工程3)次にリフトオフ層となるBSG膜を熱CVD法により形成した。引き続き、工程1と同様のフォトリソグラフィーによりレジストマスクを形成した後、CF+Hガスを用いたドライエッチングを行い、カーボンファイバー形成部位となる位置に開口を形成した。
【0060】
(工程4)実施例1の工程3に同じである。
【0061】
(工程5)実施例1の工程4に同じである。
【0062】
(工程6)次にBSG膜上の不要なカーボンファイバーをBSG膜のエッチャントである希HF水溶液を使用してリフトオフした。このときのエッチング速度は240nm/minであり、リフトオフに要した時間は約9分で非常に高速でかつ選択性良くカーボンファイバーを除去できた。また、これを走査電子顕微鏡で断面観察すると、パターン端のカーボンファイバーは水平方向にはあまり広がらず、成長した時点の形状をほぼ保持した状態で密集していた。
【0063】
以上のようにして作製した電子放出素子を図5に示すような真空装置60に設置し、真空排気装置によって2×10−5Paに到達するまで十分に排気した。そして、図5に示したように、素子からH=2mm離れた陽極(アノード)電極61に、陽極(アノード)電圧としてVa=10kVを印加した。このとき素子には駆動電圧(電極2,3間に印加する電圧)を印加して、流れる素子電流Ifと電子放出電流Ieを計測した。
【0064】
素子のIf及びIe特性は、図6に示すような特性であった。すなわち印加電圧の約半分からIeが急激に増加し、約1μAの電子放出電流Ieが測定された。一方IfはIeの特性に類似していたが、その値はIeと比較して一桁以上小さな値であった。得られたビームはY方向に細長くX方向に短い略矩形形状であった。
【0065】
また、素子の駆動初期から安定な放出特性が得られ、素子間の特性バラツキはσ/μ=3.1%であった。
【0066】
以上のように、本実施例に係わるカーボンファイバーのパターニング方法を用いた電子放出素子の製造方法をとることにより、簡易・安価な作製プロセスを用いながら、電子放出効率が高く安定な特性を持った電子放出素子が実現できた。
【0067】
[実施例3]
上記実施例に係わる電子放出素子を複数配して得られる画像形成装置について説明する。
【0068】
実施例1の電子放出素子を図8に示すようにマトリクス状に配置し、電子源基体81を完成させた。
【0069】
この電子源基体81を用いて、電子放出素子84上部に、2mmの距離を隔てて蛍光体94を有する陽極(アノード)基板96が配置されるようにし、図8に示す画像形成装置を作製した。
【0070】
Vf=30Vからなるパルス電圧、Va(アノードに印加する電圧)=10kVで駆動したところ、画像形成装置においても実施例1と同様の特性が得られた。
【0071】
【発明の効果】
本発明によれば、従来困難であった配向特性を持たないカーボンファイバーに関しても、位置あるいは配向特性を精密に制御してパターニングすることが可能であり、これを用いた電子放出素子、電子源、画像形成装置等を作製した場合でも、カーボンファイバーとゲート電極との電気的な短絡がなく、更なる特性を向上を実現しつつ素子間の特性バラツキを減じることが可能である。
【0072】
さらにパターニング・プロセスは簡易かつ安価なものであるため、本発明の電子放出素子を複数配置した電子源、さらに画像形成装置等を安価かつ簡易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のカーボンファイバーのパターニング方法により作製した電子放出素子の第一の例で、その模式的平面図および断面図である。
【図2】本発明のカーボンファイバーのパターニング方法により作製した電子放出素子の第二の例で、その模式的断面図である。
【図3】本発明のカーボンファイバーのパターニング方法により作製した電子放出素子の第三の例で、その模式的断面図である。
【図4】本発明のカーボンファイバーのパターニング方法により作製した第一の例の電子放出素子の製造工程を示す模式図である。
【図5】測定評価機能を備えた真空装置の一例を示す模式図である。
【図6】本発明による電子放出素子の電子放出特性を示す模式図である。
【図7】本発明の実施の形態に係る電子源の模式的平面図である。
【図8】本発明の実施の形態に係る画像形成装置の一部破断斜視図である。
【符号の説明】
1 基体
2 引き出し電極(ゲート電極)
3 陰極電極(カソード電極)
4 エミッター材料であるカーボンファイバー
5 層間絶縁層
6 触媒微粒子
7 リフトオフ層
60 真空装置
61 アノード
62 蛍光体
81 基体
82 X方向配線
83 Y方向配線
84 電子放出素子
85 結線
91 リアプレート
92 支持枠
93 ガラス基体
94 蛍光膜
95 メタルバック
96 フェースプレート
97 外囲器
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon fiber patterning method, and further relates to a method of manufacturing an electron-emitting device, a method of manufacturing an electron source having a large number of electron-emitting devices, and a display device configured using the electron source. The present invention relates to a method for manufacturing an image forming apparatus and a light emitting device such as a lamp.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been an active movement to use carbon fibers such as CNT (Carbon Nano Tube) as electron-emitting devices. Since carbon fibers such as CNTs have a nanometer diameter and a length on the order of microns, they have a very sharp shape with a large aspect ratio. When a carbon fiber is used as an electron-emitting member, the extraction electrodes are opposed to each other, and a positive voltage is applied to the extraction electrodes, an electric field enhancement effect occurs at the tip of the carbon fibers, and the electric field intensity is extremely low at several V / μm. Can emit electrons.
[0003]
There is a trend to use an electron-emitting device using this carbon fiber as an electron source of a field emission display (FED) (see Patent Documents 1 and 2). In the above-mentioned patent document, a method of first preparing CNTs in advance by an arc discharge method or the like, mixing the CNTs with a solvent such as a photoresist to form a paste, and disposing the paste at a desired position by a method such as printing or the like. It has been disclosed. Further, Patent Literature 3 proposes a technique in which CNTs prepared in advance are applied to a substrate by applying, compressing, embedding, or the like to the substrate, and patterning the CNTs by a lithography technique. Further, a method of arranging a catalyst such as Ni, Fe, or Co on a substrate and heating the substrate in a hydrocarbon atmosphere to grow carbon fibers directly on the substrate (referred to as a “seed method”) is also available. It is disclosed in Patent Document 4, Non-Patent Document 1, and the like. This method is a technique useful for cost reduction because an electrode provided with carbon fibers can be easily produced. Patent Document 5 discloses a method for manufacturing an electron source using the seed method.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-90809
[Patent Document 2]
JP 2000-204304 A
[Patent Document 3]
JP-A-10-149760
[Patent Document 4]
JP 2001-28625 A
[Patent Document 5]
Japanese Patent No. 2903290
[Non-patent document 1]
Science Vol. 283 (1999) 513
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, various methods of patterning the carbon fiber have been devised, but because of their advantages and disadvantages, they are generally not established yet. In particular, when carbon fibers having no orientation characteristics are formed using the seed method, simply designing the catalyst placement region in advance controls the growth region of the carbon fibers growing on the substrate with high accuracy. It was difficult. That is, the carbon fiber having no orientation grows in an arbitrary direction from the catalyst fine particles serving as a growth starting point on the substrate. For this reason, when an electron-emitting device, an electron source, a display, and the like using such a carbon fiber are manufactured, the electron-emitting characteristics of individual electron-emitting devices may vary. It is desired that an electron-emitting device using a carbon fiber solves the above-mentioned problems, further improve characteristics, and propose a simple and inexpensive manufacturing process.
[0006]
Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and in particular, can strictly control the position of the carbon fiber, can also simplify the manufacturing process of the electron-emitting device, and improve the electron-emitting characteristics. The present invention also provides a method of patterning a carbon fiber, an electron-emitting device, an electron source, an image forming apparatus, and a method of manufacturing a light-emitting device that can be performed.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made intensively in order to solve the above-mentioned problems, and has the following configuration.
[0008]
That is, the present invention relates to a method for patterning a film composed of a large number of carbon fibers, comprising: (A) a substrate having, on its surface, a lift-off layer and a catalyst layer disposed in a region where the lift-off layer is not disposed. And (B) forming a plurality of carbon fibers on the surface of the substrate at least in a region where the catalyst layer is disposed by heating the substrate in an atmosphere containing a hydrocarbon gas. And (C) a step of removing the lift-off layer after the step (B).
[0009]
The present invention also relates to a method of manufacturing an electron-emitting device having a large number of carbon fibers, wherein (A) an electrode layer, a lift-off layer covering a part of the surface of the electrode layer, and the lift-off layer. Preparing a substrate having a catalyst layer disposed on the surface of the electrode layer, and (B) heating the substrate in an atmosphere containing a hydrocarbon gas so that at least the catalyst layer is disposed. A step of forming a plurality of carbon fibers on the electrode layer in the region that has been set, and (C) a step of removing the lift-off layer after the step (B).
[0010]
In the method of patterning a film made of a large number of carbon fibers and the method of manufacturing an electron-emitting device according to the present invention, the temperature at which the substrate is heated is preferably lower than 600 ° C. Further, it is preferable that the catalyst contains any of Pd, Co, Ni, and Fe. Further, it is preferable that the lift-off layer is made of any one of PSG, BSG, and BPSG.
[0011]
The present invention also provides a method of manufacturing an electron source having a plurality of electron-emitting devices, wherein the electron-emitting device is manufactured by the above-described method of manufacturing an electron-emitting device of the present invention.
[0012]
According to another aspect of the invention, there is provided a method of manufacturing an image forming apparatus having an electron source and a light emitting member, wherein the electron source is manufactured by the above-described method of manufacturing an electron source of the present invention.
[0013]
Further, the present invention is a method for manufacturing a light emitting device having an electron emitting element and a light emitting member, wherein the electron emitting element is manufactured by the above method for manufacturing an electron emitting element of the present invention.
[0014]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is possible to pattern precisely the macro form of the film | membrane which consists of the aggregate of the carbon fiber of low orientation which was difficult conventionally. Therefore, when an electron-emitting device, an electron source, an image forming apparatus, and the like are manufactured using this method, it is possible to reduce variation in characteristics among a plurality of electron-emitting devices. Further, since the patterning process is simple and inexpensive, a light emitting device such as an electron source, an image forming apparatus (display), and a lamp in which a plurality of electron-emitting devices of the present invention are arranged can be manufactured at low cost and easily. .
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS With reference to the drawings, preferred embodiments of a method of patterning a film made of a large number of carbon fibers of the present invention, an electron-emitting device, an electron source, an image forming apparatus and a method of manufacturing a light-emitting device using the same will be described. An example will be described in detail. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention thereto unless otherwise specified. Absent. Similarly, the manufacturing process described below is not the only one.
[0016]
The “carbon fiber” or “fiber mainly composed of carbon” in the present invention is mainly composed of carbon and has a large ratio of diameter to length (typically, the aspect ratio (length / diameter) is large). 10 or more, preferably 100 or more, more preferably 1000 or more). Specific examples of carbon fiber materials include carbon nanotubes (CNT), graphite nanofibers (GNF), amorphous carbon fibers, diamond fibers, and mixtures of these at non-stoichiometric ratios.
[0017]
Carbon nanotubes include “single-wall carbon nanotubes (SWCNT)” and “multi-wall carbon nanotubes (MWCNT)”.
[0018]
CNT refers to a basic structure obtained by rolling a graphene sheet into a cylindrical shape (cylindrical shape). The fiber constituted by one graphene sheet tube is SWCNT, and the one in which the graphene sheet tube is contained in another graphene sheet tube is MWCNT. Therefore, the c-axis of the CNT is arranged substantially perpendicular to the axial direction (the longitudinal direction of the fiber).
[0019]
On the other hand, GNF refers to a material in which graphene (smaller than the graphene sheet in the CNT described above) is laminated in the fiber axial direction (longitudinal direction). For this reason, GNF basically refers to one in which a plurality of graphenes are stacked so that the c-axis of the graphene is not parallel to the axial direction of the fiber (the longitudinal direction of the fiber). A platelet type GNF in which the c-axis is substantially parallel to the fiber axial direction (the longitudinal direction of the fiber) is a herringbone type in which conical graphene is stacked in the fiber axial direction. Called. The herringbone type includes a form in which V-shaped graphene sheets are stacked in the fiber axial direction.
[0020]
Hereinafter, a method of manufacturing an electron-emitting device using a method of patterning a film made of a large number of carbon fibers according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 is a schematic view showing an example of an electron-emitting device manufactured by using the manufacturing method of the present invention. FIG. 1 (a) is a plan view thereof, and FIG. 1 (b) is a plan view of FIG. It is AA 'sectional drawing. Reference numeral 4 denotes a carbon fiber which is an emitter material ("electron emitting material", "electron emitting member").
[0022]
In FIG. 1, an electron-emitting device in which a cathode electrode 3 and an extraction electrode 2 are arranged at intervals on the surface of a substrate 1 and a film 4 made of a plurality of carbon fibers is arranged at a specific portion on the surface of the cathode electrode 3. However, the configuration of the element is not limited to this example, and can be applied to, for example, the configurations shown in FIGS.
[0023]
FIG. 2 shows an example of an element configuration in which the cathode electrode 3 is arranged above the extraction electrode 2, and FIG. 3 shows an example of an element configuration in which the cathode electrode 3 is arranged below the extraction electrode 2. Reference numeral 5 denotes an interlayer insulating layer between the cathode electrode 3 and the extraction electrode 2.
[0024]
As shown in the following steps (1) to (5), an example of a method for manufacturing the electron-emitting device having the configuration shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
[0025]
(1) The base 1 is sufficiently washed with a detergent, pure water, an organic solvent, or the like, and an electrode material is deposited by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like. Thereafter, an extraction electrode (gate electrode) 2 and a cathode electrode (cathode electrode) 3 are formed on the substrate 1 by using, for example, a photolithography technique (FIG. 4A).
[0026]
As the substrate 1, quartz glass, glass partially reduced to K or the like by reducing the content of impurities such as Na or the like, blue plate glass, or silicon substrate or the like by sputtering or the like. 2 , A ceramic such as alumina, or the like can be used.
[0027]
Since the extraction electrode 2 and the cathode electrode 3 are functionally different, different materials may be used, or the same material as the cathode electrode 3 may be used as the material of the extraction electrode 2. The material is appropriately selected from carbon, a metal, a metal nitride, a metal carbide, a metal boride, a semiconductor, a metal compound of a semiconductor, and the like. As the cathode electrode 3, a form having an oxide of a material selected from Ti, Zr, and Nb on at least the surface thereof is preferable. These materials have sufficiently low resistance, are materials that do not hinder or promote the growth of carbon fiber, and are materials that provide good electrical connection with carbon fiber. Selected.
[0028]
(2) A lift-off layer 7 of carbon fiber is deposited on the substrate 1 on which the extraction electrode 2 and the cathode electrode 3 are provided, and the lift-off layer 7 in a region where a carbon fiber is to be formed is removed by a photolithography technique (FIG. 4B). )).
[0029]
Since the lift-off layer 7 is formed to a thickness substantially equal to that of carbon fiber, high-speed film forming property and high-speed etching property, etching selectivity with a substrate or an electrode, heat resistance at a growth temperature of carbon fiber, and the like are required. It becomes. Particularly suitable lift-off layer materials include PSG (Phosphosilicate glass), BSG (Boronsilicate glass), and BPSG (Boron-Phosphosilicate glass). The phosphorus concentration in the PSG film is optimized based on film stress, etching rate, and the like. Generally, the lower the phosphorus concentration, the greater the internal stress. Also, as the phosphorus concentration increases, the surface becomes unstable, but the etching rate increases. The optimum phosphorus concentration in the PSG film as the carbon fiber lift-off layer is about 6 to 10 wt%. Usually, carbon fibers (especially GNF) grow in random directions from catalyst nuclei (catalyst particles). Therefore, by forming the film thickness of the lift-off layer 7 to be equal to the film thickness of the film composed of the aggregate of carbon fibers to be finally obtained, the carbon fiber can be moved in the lateral direction (parallel to the surface of the substrate 1). Growth) can be suppressed, and the growth can be accurately controlled.
[0030]
(3) A large number of catalyst particles 6 are deposited on the substrate 1 having the openings formed in the lift-off layer 7 (FIG. 4C).
[0031]
As the catalyst fine particles, Fe, Co, Ni, Pd or an alloy of a material selected from these (particularly preferably an alloy of Pd and Co) is preferably used. As a method for forming the catalyst particles, a general vacuum evaporation method, application of a catalyst particle dispersion solvent, application of an organometallic complex solution, and the like can be used.
[0032]
(4) The substrate 1 on which the catalyst particles are deposited is heated to about 400 ° C. to 600 ° C. in an atmosphere of carbon monoxide, carbon dioxide and various hydrocarbon gases, preferably a mixture of these gases and hydrogen. In this way, carbon fibers are formed on the base 1 (FIG. 4D).
[0033]
As the hydrocarbon gas, for example, ethylene, methane, propane, propylene, or a vapor of an organic solvent such as ethanol or acetone can be used.
[0034]
(5) The substrate 1 on which the carbon fibers are formed is immersed in an etchant for the lift-off layer 7 to remove the lift-off layer 7 and the carbon fibers on the lift-off layer 7 (FIG. 4E).
[0035]
When PSG or BPSG is used as the lift-off layer 7, a P etch liquid is used as an etchant. P etch liquid is 70% HNO 3 : 49% HF: H 2 It is an acid solution having a composition of O = 3: 2: 60 (volume ratio) and is an excellent etchant having the ability to etch PSG only very quickly and selectively. When BSG is used as the lift-off layer 7, a dilute HF solution is used as an etchant. This is 49% HF: H 2 It is an acid solution having a composition of O = 1: 2 (volume ratio), and is characterized in that the etching rate is 10 times or more faster than that of buffered HF (Buffered HF).
[0036]
Regarding the electron-emitting device of the present invention obtained through the above steps (1) to (5), the position of the electron-emitting point and the operation thereof will be described with reference to FIGS.
[0037]
The electron-emitting device of the present invention obtained through the above steps (1) to (5) is placed in a vacuum device 60 shown in FIG. -4 Air was sufficiently exhausted until the pressure reached about Pa. Then, an anode (hereinafter, referred to as “anode”) 61 was provided at a height H of several mm from the substrate 1 using a high-voltage power supply, and a high voltage Va of several kilovolts was applied. The anode 61 is provided with a phosphor 62 coated with a conductive film. A pulse voltage of about several tens of volts is applied as a drive voltage Vf applied between the electrode 2 and the electrode 3, and a device current If flowing between the extraction electrode 2 and the cathode electrode 3 and an electron emission current flowing through the anode 61 Ie was measured.
[0038]
Incidentally, as a matter of course, the drive voltage Vf is higher in the potential applied to the gate electrode 2 than in the cathode electrode 3. At this time, the portion where the electric field concentrates most is on the anode 61 side of the carbon fiber 4 which is the electron emitting material and on the innermost portion of the gap (gap) between the electrode 2 and the electrode 3. It is considered that electrons are emitted from the place where the electric field concentrates most among the electron-emitting materials located near this electric field concentration point. The Ie characteristics of the device were as shown in FIG. That is, Ie rapidly rises from about half of the applied voltage, and If (not shown) resembled the characteristics of Ie, but its value was sufficiently smaller than Ie. With this electron emission characteristic, it is possible to configure an electron source in which a plurality of the above-described electron-emitting devices are arranged in a matrix on the same substrate, and perform matrix driving for selecting and driving a desired element.
[0039]
Hereinafter, based on this principle, an electron source and an image forming apparatus obtained by arranging a plurality of electron-emitting devices according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0040]
FIG. 7 is a schematic plan view of the electron source according to the embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a partially cutaway perspective view of the image forming apparatus according to the embodiment of the present invention.
[0041]
In FIG. 7, reference numeral 81 denotes an electron source base, 82 denotes an X-direction wiring, and 83 denotes a Y-direction wiring. 84 is an electron-emitting device according to the embodiment of the present invention, and 85 is a connection. In FIG. 7, the m X-direction wirings 82 are DX 1 , DX 2 , ... DX m Consists of However, the material, thickness, and width of the wiring are appropriately designed. On the other hand, the Y-direction wiring 83 is DY 1 , DY 2 ... DY n And formed in the same manner as the X-direction wiring 82. An interlayer insulating layer (not shown) is provided between the m X-directional wirings 82 and the n Y-directional wirings 83 to electrically separate them (m and n are both common). Is a positive integer).
[0042]
The electron-emitting device 84 according to the embodiment of the present invention is electrically connected to the m X-directional wires 82 and the n Y-directional wires 83 by a connection 85. A scanning signal applying unit (not shown) for applying a scanning signal is connected to the X-direction wiring 82. On the other hand, a modulation signal generating means (not shown) for modulating the amount of electrons emitted from each electron-emitting device is connected to the Y-direction wiring 83. With the above configuration, individual elements can be selected and independently driven.
[0043]
An example of an image forming apparatus configured using the electron sources in the matrix arrangement shown in FIG. 7 will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows a display panel of an image forming apparatus using soda lime glass as a glass substrate material. 8, reference numeral 81 denotes an electron source substrate on which a plurality of electron-emitting devices are arranged; 91, a rear plate on which the electron source substrate 81 is fixed; 96, a face plate on which a fluorescent film 94 and a metal back 95 are formed on the inner surface of a glass substrate 93 It is. Reference numeral 92 denotes a support frame, and a rear plate 91 and a face plate 96 are connected to the support frame 92 using frit glass or the like. Reference numeral 97 denotes an envelope including a face plate 96, a support frame 92, and a rear plate 91. Reference numeral 84 denotes each electron-emitting device, and reference numerals 82 and 83 denote the X-direction wiring and the Y-direction wiring shown in FIG. In addition, by providing a support (not shown) called a spacer between the face plate 96 and the rear plate 91, the envelope 97 having sufficient strength against atmospheric pressure can be configured.
[0044]
【Example】
Next, more specific examples based on the above embodiment will be described in detail.
[0045]
[Example 1]
This example is an example in which the configuration of the electron-emitting device shown in FIG. 1 in the embodiment is manufactured by the manufacturing method of the present invention.
Hereinafter, a manufacturing process of the electron-emitting device according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIG.
[0046]
(Step 1) After sufficiently cleaning the base 1 using a quartz substrate, in order to form the extraction electrode 2 and the cathode electrode 3, first, a 100 nm-thick Ti (not shown) was vapor-deposited on the entire substrate by a sputtering method. . Subsequently, a resist pattern was formed by photolithography using a positive photoresist (AZ1500 / manufactured by Clariant) not shown. Using the patterned photoresist as a mask, the Ti film was subjected to dry etching using Ar gas to pattern the extraction electrode 2 and the cathode electrode 3 having an electrode gap (width of gap) of 5 μm (FIG. 4). (A)).
[0047]
(Step 2) Next, a PSG film serving as a lift-off layer was formed by a thermal CVD method. At a substrate temperature of 350 ° C., TEOS (flow rate 9 SLM, temperature 65 ° C.) and TMOP (flow rate 4 SLM, temperature 60 ° C.) are converted into ozone (90 gN / m). 3 ) And a film was formed to a thickness of 2 μm. At this time, the film formation rate is 90 nm / min, and the time required for forming a film of PSG 2 μm is about 21 minutes, and it is possible to form a film at a very high speed. In addition, when the phosphorus concentration in the PSG film at this time was confirmed by μ-ESCA, it was 8 wt%.
[0048]
Subsequently, a resist pattern was formed by photolithography using a positive photoresist (AZ1500 / manufactured by Clariant) not shown. Using the patterned photoresist as a mask, the PSG film is CF 4 + H 2 An opening was formed at a position to be a carbon fiber formation site by performing dry etching using a gas (FIG. 4B).
[0049]
(Step 3) Next, a fine particle film of a Pd-Co alloy was formed by a sputtering method as a carbon fiber growth catalyst. Subsequently, the substrate was heated to form catalyst fine particles having a diameter of 3 to 10 nm (FIG. 4C).
[0050]
(Step 4) Next, heat treatment was performed at 500 ° C. in an ethylene stream diluted with nitrogen. When this was observed in cross section with a scanning electron microscope, a form in which a large number of fibrous carbon fibers bent at a diameter of about 10 nm to 25 nm and extended in a fibrous form were densely formed at a thickness of about 1.5 μm (FIG. 4D) )).
[0051]
(Step 5) Next, unnecessary carbon fibers on the PSG film were lifted off using a P etch solution which is an etchant for the PSG film. At this time, the etching rate was 340 nm / min, and the time required for lift-off was about 6 minutes, so that the carbon fibers could be removed very quickly and with high selectivity. When the cross section was observed with a scanning electron microscope, the carbon fibers at the end of the pattern did not spread so much in the horizontal direction (the direction parallel to the substrate surface), and were densely packed while almost maintaining the shape at the time of growth ( FIG. 4 (e).
[0052]
The electron-emitting device manufactured as described above is installed in a vacuum device 60 as shown in FIG. -5 It exhausted sufficiently until it reached Pa. Then, as shown in FIG. 5, Va = 10 kV was applied as an anode (anode) voltage to an anode (anode) electrode 61 at a distance of H = 2 mm from the device. At this time, a drive voltage (voltage applied between the electrodes 2 and 3) was applied to the device, and the flowing device current If and the electron emission current Ie were measured.
[0053]
The If and Ie characteristics of the device were as shown in FIG. That is, Ie rapidly increased from about half of the applied voltage, and an electron emission current Ie of about 1 μA was measured. On the other hand, If was similar to the characteristic of Ie, but its value was at least one digit smaller than Ie. The obtained beam had a substantially rectangular shape elongated in the Y direction and short in the X direction.
[0054]
In addition, stable emission characteristics were obtained from the early stage of driving of the element, and the characteristic variation between the elements was σ / μ = 2.8%.
[0055]
As described above, by employing the method of manufacturing an electron-emitting device using the carbon fiber patterning method according to the present embodiment, the electron-emitting device has high electron emission efficiency and stable characteristics while using a simple and inexpensive manufacturing process. An electron-emitting device was realized.
[0056]
[Example 2]
This example is an example in which the configuration of the electron-emitting device shown in FIG. 2 in the embodiment is manufactured by the manufacturing method of the present invention.
Hereinafter, the manufacturing process of the electron-emitting device according to the present embodiment will be described in detail.
[0057]
(Step 1) After sufficiently cleaning the substrate 1 using a glass substrate, Pt was deposited on the entire substrate by sputtering to form the extraction electrode 2. Subsequently, a resist pattern was formed by photolithography using a positive photoresist (AZ1500 / manufactured by Clariant) not shown. Dry etching was performed using the patterned photoresist as a mask to pattern the extraction electrode 2.
[0058]
(Step 2) Next, SiO to be an interlayer insulating layer is formed by sputtering. 2 Was deposited to a thickness of 1 μm and Ti serving as a cathode electrode was deposited to a thickness of 100 nm. After forming a resist mask by the same photolithography as in Step 1, the Ti film is 6 Gas, SiO 2 About CF 4 + H 2 Dry etching using a gas was performed to pattern the interlayer insulating layer 5 and the cathode electrode 3.
[0059]
(Step 3) Next, a BSG film to be a lift-off layer was formed by a thermal CVD method. Subsequently, after forming a resist mask by the same photolithography as in step 1, CF 4 + H 2 An opening was formed at a position to be a carbon fiber formation site by performing dry etching using a gas.
[0060]
(Step 4) Same as step 3 of the first embodiment.
[0061]
(Step 5) Same as step 4 of the first embodiment.
[0062]
(Step 6) Next, unnecessary carbon fibers on the BSG film were lifted off using a dilute HF aqueous solution which is an etchant for the BSG film. At this time, the etching rate was 240 nm / min, and the time required for lift-off was about 9 minutes, and the carbon fiber could be removed very quickly and with high selectivity. When the cross section was observed with a scanning electron microscope, the carbon fibers at the end of the pattern did not spread so much in the horizontal direction, and were densely packed with almost the shape at the time of growth.
[0063]
The electron-emitting device manufactured as described above is installed in a vacuum device 60 as shown in FIG. -5 It exhausted sufficiently until it reached Pa. Then, as shown in FIG. 5, Va = 10 kV was applied as an anode (anode) voltage to an anode (anode) electrode 61 at a distance of H = 2 mm from the device. At this time, a drive voltage (voltage applied between the electrodes 2 and 3) was applied to the device, and the flowing device current If and the electron emission current Ie were measured.
[0064]
The If and Ie characteristics of the device were as shown in FIG. That is, Ie rapidly increased from about half of the applied voltage, and an electron emission current Ie of about 1 μA was measured. On the other hand, If was similar to the characteristic of Ie, but its value was at least one digit smaller than Ie. The obtained beam had a substantially rectangular shape elongated in the Y direction and short in the X direction.
[0065]
In addition, stable emission characteristics were obtained from the early stage of driving of the element, and the characteristic variation between the elements was σ / μ = 3.1%.
[0066]
As described above, by employing the method of manufacturing an electron-emitting device using the carbon fiber patterning method according to the present embodiment, the electron-emitting device has high electron emission efficiency and stable characteristics while using a simple and inexpensive manufacturing process. An electron-emitting device was realized.
[0067]
[Example 3]
An image forming apparatus obtained by disposing a plurality of electron-emitting devices according to the above embodiment will be described.
[0068]
The electron-emitting devices of Example 1 were arranged in a matrix as shown in FIG.
[0069]
Using this electron source base 81, an anode (anode) substrate 96 having a phosphor 94 is disposed above the electron-emitting device 84 at a distance of 2 mm, and an image forming apparatus shown in FIG. .
[0070]
When the apparatus was driven at a pulse voltage of Vf = 30 V and Va (voltage applied to the anode) = 10 kV, the same characteristics as those of Example 1 were obtained in the image forming apparatus.
[0071]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to precisely control the position or the orientation characteristics of a carbon fiber having no orientation characteristics, which has conventionally been difficult, and to perform patterning. Even when an image forming apparatus or the like is manufactured, there is no electrical short circuit between the carbon fiber and the gate electrode, and it is possible to reduce the variation in characteristics between elements while further improving the characteristics.
[0072]
Further, since the patterning process is simple and inexpensive, an electron source having a plurality of electron-emitting devices according to the present invention, an image forming apparatus, and the like can be manufactured inexpensively and easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view and a cross-sectional view of a first example of an electron-emitting device manufactured by a carbon fiber patterning method of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a second example of the electron-emitting device manufactured by the carbon fiber patterning method of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a third example of an electron-emitting device manufactured by the carbon fiber patterning method of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing a manufacturing process of an electron-emitting device of the first example manufactured by the method of patterning carbon fibers of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a vacuum device having a measurement evaluation function.
FIG. 6 is a schematic diagram showing electron emission characteristics of the electron-emitting device according to the present invention.
FIG. 7 is a schematic plan view of the electron source according to the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a partially cutaway perspective view of the image forming apparatus according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2 Leader electrode (gate electrode)
3 Cathode electrode (cathode electrode)
4 Carbon fiber as emitter material
5 Interlayer insulation layer
6 Catalyst fine particles
7 Lift-off layer
60 vacuum equipment
61 Anode
62 phosphor
81 Base
82 X direction wiring
83 Y direction wiring
84 electron-emitting device
85 connections
91 Rear plate
92 Support frame
93 glass substrate
94 fluorescent film
95 metal back
96 face plate
97 envelope

Claims (1)

多数のカーボンファイバーからなる膜のパターニング方法であって、
(A)リフトオフ層と、前記リフトオフ層が配置されていない領域に配置された触媒層とを、その表面に有する基体を用意する工程と、
(B)炭化水素ガスを含む雰囲気中で前記基体を加熱することにより、少なくとも前記触媒層が配置されていた領域内の前記基体表面上に複数のカーボンファイバーを形成する工程と、
(C)前記工程(B)の後に、前記リフトオフ層を除去する工程と、
を有することを特徴とする多数のカーボンファイバーからなる膜のパターニング方法。
A method of patterning a film made of a large number of carbon fibers,
(A) a step of preparing a substrate having, on its surface, a lift-off layer and a catalyst layer disposed in a region where the lift-off layer is not disposed;
(B) heating the substrate in an atmosphere containing a hydrocarbon gas to form a plurality of carbon fibers on the surface of the substrate at least in a region where the catalyst layer is disposed;
(C) after the step (B), removing the lift-off layer;
A method for patterning a film made of a large number of carbon fibers, characterized by comprising:
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WO2008104394A1 (en) * 2007-03-01 2008-09-04 Josef Sellmair Method for producing a particle radiation source

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