JP2005169554A - Method of manufacturing fiber containing carbon, and method of manufacturing electronic device with a plurality of fibers containing carbon, arranged on substrate - Google Patents

Method of manufacturing fiber containing carbon, and method of manufacturing electronic device with a plurality of fibers containing carbon, arranged on substrate Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing an image forming device, capable of manufacturing an electron source substrate stably without characteristic dispersion and manufacturing the image forming device with excellent display quality over a long period of time, at low cost. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the electronic device has a first process for forming a first electrode with a catalyst layer on the surface, and a second electrode without a catalyst layer on the surface, on the substrate, and a second process for growing the fibers containing carbon, on the substrate by heating the substrate in the state of bringing gas containing carbon, into contact with the catalyst layer. In the second process, the length of the fibers containing carbon is measured, and the growth quantity of the fibers containing carbon is controlled based on the measured result. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法、および炭素を含むファイバーを基体上に複数配置した電子デバイスの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a substrate having a fiber containing carbon, and a method for manufacturing an electronic device in which a plurality of fibers containing carbon are arranged on a substrate.

近年、カーボンナノチューブ等のカーボンファイバーを冷陰極電子源の電子放出部材として利用する動きが活発である。また、2次電池、燃料電池、水素吸蔵体などの電子デバイスに応用することも提案されている。そして、このカーボンファイバーをFED(Field Emission Display)の電子源として利用する動向がある。FEDは一画素当たりに一つもしくは複数の電界放出型(FE型)電子放出素子を備える自発光型の表示装置であり、この自発光型の表示装置であればCRTと同程度の輝度と、消費電力とが達成可能であり、CRTより薄くて軽い画像表示装置を作製できるものである。   In recent years, there has been an active movement to use carbon fibers such as carbon nanotubes as electron emitting members of cold cathode electron sources. Further, application to electronic devices such as secondary batteries, fuel cells, and hydrogen storage bodies has also been proposed. There is a trend to use this carbon fiber as an electron source for FED (Field Emission Display). The FED is a self-luminous display device including one or a plurality of field emission (FE-type) electron-emitting devices per pixel. If this self-luminous display device, the luminance is comparable to that of a CRT, Power consumption can be achieved, and an image display device that is thinner and lighter than a CRT can be manufactured.

このFEDを作製するに当たって、電子放出素子を画素のピッチで規則正しく正確に位置合わせして配置する必要がある。そのため予め用意したカーボンファイバーを配置する方法(特許文献1、特許文献2、特許文献3など)や、直接、カーボンファイバーを基板上に成長させる方法(シード法:特許文献4)がある。上記シード法は基板にNi、Fe、Coなどの触媒金属微粒子を基板上の所望の位置に配置して、この基板を炭化水素中で加熱処理するとカーボンファイバーが成長する。この方法は基板上に直接カーボンファイバーを成長できる方法である。そして金属薄膜が設けられた基板上に触媒を散布した後、パターニングにてカソード電極を作製すると、全ての領域に触媒が存在するカソード電極を位置あわせなしで得ることができ、その後にカーボンナノチューブなどのカーボンファイバーを成長させるだけで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。
特開2000−90809号公報 特開2000−204304号公報 特開平10−149760号公報 特開2002−150925号公報
In manufacturing this FED, it is necessary to arrange the electron-emitting devices regularly and accurately at the pixel pitch. Therefore, there are a method of arranging carbon fibers prepared in advance (Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, etc.) and a method of directly growing carbon fibers on a substrate (seed method: Patent Document 4). In the above seed method, catalytic metal fine particles such as Ni, Fe, and Co are arranged on a substrate at a desired position, and when this substrate is heat-treated in hydrocarbon, carbon fibers grow. In this method, carbon fibers can be grown directly on the substrate. Then, after the catalyst is dispersed on the substrate provided with the metal thin film, the cathode electrode is produced by patterning to obtain a cathode electrode in which the catalyst is present in all regions without alignment, and then carbon nanotubes and the like. This technology is useful for cost reduction because it is possible to easily produce an electrode equipped with carbon fiber simply by growing carbon fiber.
JP 2000-90809 A JP 2000-204304 A JP-A-10-149760 JP 2002-150925 A

前述のようにシード法は非常に有力なカーボンファイバーの形成手法であるが、触媒形成後の成長プロセスにおいて、特に熱CVD法による成長において、バッチ間でカーボンファイバー長さにバラツキを生じることがあり、厳密な成長制御は行えていないのが現状である。   As mentioned above, the seed method is a very effective method for forming carbon fibers. However, in the growth process after catalyst formation, especially in the case of growth by thermal CVD, the carbon fiber length may vary between batches. At present, strict growth control is not possible.

また、カーボンファイバーを冷陰極電子源材料として用いる場合、カーボンファイバー長さのバラツキは直接、電子放出特性のバラツキにつながり、バッチ毎に異なる特性を有する電子源が出来てしまう。   Further, when carbon fiber is used as a cold cathode electron source material, variations in the carbon fiber length directly lead to variations in electron emission characteristics, and electron sources having different characteristics from batch to batch are produced.

さらに、カーボンファイバーを電子源として用いた大面積FEDを作製するにあたっては、基板内でも成長量を制御、監視する手法が求められており、これは成長装置の設計パラメータとしても非常に重要になってくる。   Furthermore, when manufacturing a large-area FED using carbon fiber as an electron source, a technique for controlling and monitoring the growth amount within the substrate is also required, which is very important as a design parameter for the growth apparatus. Come.

以上述べたように、炭素を含むファイバーを有するデバイスの製造方法において、成長中のファイバー長さを制御して成長させる、簡便で安価な手法が求められている。   As described above, in a method for manufacturing a device having a fiber containing carbon, there is a demand for a simple and inexpensive method for growing while controlling the length of the growing fiber.

そこで、本発明は上記課題を解決する、炭素を含むファイバーの製造方法、さらに炭素を含むファイバーを有する電子デバイスの製造方法を提供するものである。   Therefore, the present invention provides a method for producing a fiber containing carbon and a method for producing an electronic device having a fiber containing carbon, which solve the above problems.

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。   The present invention has been made in earnest to solve the above-described problems, and has the configuration described below.

即ち、本発明は、炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法であって、表面に触媒層を有する基体を用意する第1工程と、前記触媒層に炭素を含むガスを接触させた状態で前記基体を加熱することによって、前記基体上に、炭素を含むファイバーを成長させる第2工程と、を有しており、前記第2工程は,更に、前記基体上に成長する、炭素を含むファイバーの長さに相当する量を測定し、該測定結果に基づいて、前記基体上に成長する炭素を含むファイバーの成長速度を制御する工程を有することを特徴とする。   That is, the present invention is a method for producing a substrate having carbon-containing fibers, the first step of preparing a substrate having a catalyst layer on the surface, and the catalyst layer in contact with a gas containing carbon. A second step of growing carbon-containing fibers on the substrate by heating the substrate, and the second step further includes the step of growing the carbon-containing fibers grown on the substrate. The method includes measuring the amount corresponding to the length and controlling the growth rate of the fiber containing carbon grown on the substrate based on the measurement result.

また、上記本発明において、前記第1工程は、さらに、前記基体上に第1電極と第2電極とを配置する工程と、前記第1電極上に前記触媒層を配置する工程とを含み、前記炭素を含むファイバーの長さに相当する量の測定は、前記第1電極と第2電極との間の電流の時間変化に基づいて行われることをも特徴とする。   In the present invention, the first step further includes a step of disposing the first electrode and the second electrode on the substrate, and a step of disposing the catalyst layer on the first electrode, The measurement of an amount corresponding to the length of the carbon-containing fiber is also performed based on a temporal change in current between the first electrode and the second electrode.

また、上記本発明において、上記前記第1工程は、さらに、前記基体上に第1電極と第2電極とを配置する工程と、前記第1電極上に前記触媒層を配置する工程とを含み、前記炭素を含むファイバーの長さに相当する量の測定は、前記第1電極と第2電極との間の容量の時間変化に基づいて行われることをも特徴とする。   In the present invention, the first step further includes a step of disposing the first electrode and the second electrode on the substrate, and a step of disposing the catalyst layer on the first electrode. In addition, the measurement of the amount corresponding to the length of the carbon-containing fiber is performed based on a change with time of the capacitance between the first electrode and the second electrode.

また、上記本発明において、前記炭素を含むファイバーの長さに相当する量の測定は、前記基体の一部に光を照射し、該照射した光の反射光強度の時間変化に基づいて行われることをも特徴とする。   In the present invention, the measurement of the amount corresponding to the length of the carbon-containing fiber is performed based on the time change of the reflected light intensity of the irradiated light by irradiating a part of the substrate with light. It is also characterized by this.

また、上記本発明において、前記炭素を含むファイバーの成長速度を制御する工程は、前記炭素を含むガスの供給量を制御することにより行われることをも特徴とする。   In the present invention, the step of controlling the growth rate of the carbon-containing fiber is performed by controlling the supply amount of the carbon-containing gas.

また、本発明は、基体上に配置された炭素を含むファイバーを複数有する電子デバイスの製造方法であって、前記炭素を含むファイバーが、前述のいずれかの製造方法により製造されることを特徴とする電子デバイスの製造方法にある。さらには前記電子デバイスが、前記炭素を含むファイバーから電子を放出する電子放出素子であることを特徴とするものである。   In addition, the present invention is a method for manufacturing an electronic device having a plurality of carbon-containing fibers disposed on a substrate, wherein the carbon-containing fibers are manufactured by any one of the above-described manufacturing methods. A method of manufacturing an electronic device. Furthermore, the electronic device is an electron-emitting device that emits electrons from the carbon-containing fiber.

本発明によれば、バッチ間でファイバー長にバラツキがない安定な品質を持った炭素を含むファイバー、さらに基体上に複数炭素を含むファイバーを配置した、バラツキが少ない電子デバイスを簡易かつ安価に製造することが可能である。   According to the present invention, a carbon-containing fiber having a stable quality with no variation in fiber length between batches, and an electronic device having a small variation, in which a fiber containing a plurality of carbons is arranged on a substrate, can be easily and inexpensively manufactured. Is possible.

本発明によれば、バッチ間でファイバー長にバラツキがない安定な品質を持った基体、さらに基体上に複数配置した素子の電子放出特性に関してバラツキが無い電子デバイスを簡易かつ安価に製造することが可能である。   According to the present invention, it is possible to easily and inexpensively manufacture a substrate having stable quality with no variation in fiber length between batches, and an electronic device having no variation in electron emission characteristics of a plurality of elements arranged on the substrate. Is possible.

さらに製造プロセスは簡易かつ安価なものであるため、本発明の製造方法により作製した電子源、さらに画像形成装置を安価かつ簡易に作製することができる。   Furthermore, since the manufacturing process is simple and inexpensive, the electron source manufactured by the manufacturing method of the present invention and the image forming apparatus can be manufactured inexpensively and easily.

以下に図面を参照して、本発明の炭素を含むファイバーを有する基体上に複数配置した電子デバイス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。   Exemplary embodiments of a method for producing a plurality of electronic devices arranged on a substrate having carbon-containing fibers according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. 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 only to those unless otherwise specified. Absent. Similarly, the manufacturing process described below is not the only one.

尚、本発明における炭素を含むファイバーとは、所謂カーボンナノチューブやグラファイトナノファイバーなどの「カーボンファイバー」を指す。また好ましくは炭素を主成分とするファイバーと言うこともできる。そして特には、ナノサイズの直径を有するカーボンファイバーであり、特には、ファイバーの直径に対する長さの比が10以上、更に好ましくは100以上のカーボンファイバーである。また「炭素を含むファイバー」とは、カーボンナノチューブ、グラファイトファイバー、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含む。   In the present invention, the carbon-containing fiber refers to a “carbon fiber” such as a so-called carbon nanotube or graphite nanofiber. It can also be said that the fiber is preferably composed mainly of carbon. In particular, the carbon fiber has a nano-sized diameter, and in particular, the carbon fiber has a ratio of the length to the fiber diameter of 10 or more, more preferably 100 or more. The “fiber containing carbon” includes carbon nanotubes, graphite fibers, amorphous carbon fibers, diamond fibers, or a mixture of these at a non-stoichiometric ratio.

以下、本発明の実施の形態に係る炭素を含むファイバーを基体上に複数配置した電子デバイスの製造方法について、図面を参照して詳しく説明する。尚、ここでは、電子放出素子の例を挙げて説明するが、本発明の炭素を含むファイバーの製造方法は、炭素を含むファイバーを用いる如何なる電子デバイス(例えば2次電池、燃料電池、水素吸蔵体など)にも好ましく適用できる。   Hereinafter, a method for manufacturing an electronic device in which a plurality of carbon-containing fibers according to an embodiment of the present invention are arranged on a substrate will be described in detail with reference to the drawings. Here, the electron-emitting device will be described as an example. However, the carbon-containing fiber manufacturing method of the present invention is not limited to any electronic device using a carbon-containing fiber (for example, a secondary battery, a fuel cell, a hydrogen storage body). Etc.).

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。   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 diagram in FIG. It is AA 'sectional drawing. 4 is a carbon fiber which is an emitter material (“electron emission material”, “electron emission member”).

図1においては、陰極電極(第一電極)2と引出し電極(第二電極)3が基板表面上に間隔を置いて配置され、陰極電極2表面の特定部位に複数のカーボンファイバー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のような素子構成にも適用することが可能である。5は陰極電極と引出し電極の層間絶縁層である。   In FIG. 1, a cathode electrode (first electrode) 2 and an extraction electrode (second electrode) 3 are arranged on the substrate surface at an interval, and a plurality of carbon fibers are arranged at a specific portion on the surface of the cathode electrode 2. However, the configuration of the device is not limited to this example, and can be applied to the device configuration as shown in FIGS. Reference numeral 5 denotes an interlayer insulating layer of the cathode electrode and the extraction electrode.

図2は陰極電極2を引出し電極3の上層に配置した素子構成の例で、図3は陰極電極2を引出し電極3の下層に配置した素子構成の例である。   FIG. 2 shows an example of an element configuration in which the cathode electrode 2 is arranged in the upper layer of the extraction electrode 3, and FIG. 3 shows an example of an element configuration in which the cathode electrode 2 is arranged in the lower layer of the extraction electrode 3.

さらに図4〜6を用いて、図1の構成の電子放出素子を作製する場合の炭素を含むファイバー長の測定素子の製造方法、測定方法について詳細に説明する。   Further, a manufacturing method and a measuring method of a fiber-length measuring element containing carbon when the electron-emitting device having the configuration of FIG. 1 is manufactured will be described in detail with reference to FIGS.

前述したように、炭素を含むファイバー長の測定素子は基体上に直接作製して実施することも、あるいはダミー基体を用意してダミー基体上において実施することも可能である。   As described above, the fiber length measuring element containing carbon can be manufactured directly on the substrate, or can be prepared on a dummy substrate by preparing a dummy substrate.

ここではダミー基体上に測定素子を作製した例について説明する。尚、ダミー基体上の測定素子は、実際の基体上の素子と同じ構成で作製することが好ましく、基体上の素子構成に依って好適なファイバー長測定方法を選択することが望ましい。ファイバー長測定は、前記第一、第二電極間の抵抗または容量の時間変化、あるいはファイバーの成長部に照射した光の反射光強度の時間変化に基づいて行うことが可能である。   Here, an example in which a measuring element is manufactured on a dummy substrate will be described. The measuring element on the dummy substrate is preferably manufactured in the same configuration as the element on the actual substrate, and it is desirable to select a suitable fiber length measuring method depending on the element configuration on the substrate. The fiber length measurement can be performed based on the time change of the resistance or capacitance between the first and second electrodes, or the time change of the reflected light intensity of the light irradiated to the growth portion of the fiber.

本実施態様は、図1の素子構成に対して、ファイバー長の測定さらに成長時間への帰還をダミー基体上の測定素子の抵抗変化によって行った例である。図4(a)〜(d)は本実施態様の、ダミー基体上の電極間隔Dxが異なる測定素子を表した模式図(平面図)である。   This embodiment is an example in which the fiber length is measured and the feedback to the growth time is performed by changing the resistance of the measuring element on the dummy substrate with respect to the element configuration of FIG. 4A to 4D are schematic views (plan views) showing measurement elements having different electrode intervals Dx on the dummy substrate according to this embodiment.

(1)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、青板ガラスおよびシリコン基板等にスパッタ法等によりSiO2を積層した積層体、アルミナ等のセラミックスの絶縁性基板等(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上に陰極電極(カソード電極)2、引出し電極(ゲート電極)3を形成する(図5(a))。陰極電極2と引出し電極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2に合わせて同一の材料を用いても構わない。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2として特に好適な材料は、Ti,Zr,もしくはNbの中から選ばれた材料の酸窒化物(表面酸化形態も含む)であり、これらはまず電極材料として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ある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。 (1) Quartz glass, glass with partially reduced impurities such as Na, glass partially substituted with K, etc., blue plate glass, laminated body in which SiO 2 is laminated on a silicon substrate, etc., insulation of ceramics such as alumina The substrate (substrate) 1 is sufficiently washed with a detergent, pure water, an organic solvent, etc., and an electrode material is deposited by a vacuum evaporation method, a sputtering method or the like, and then a cathode is formed on the substrate 1 by using, for example, a photolithography technique. An electrode (cathode electrode) 2 and an extraction electrode (gate electrode) 3 are formed (FIG. 5A). Since the cathode electrode 2 and the extraction electrode 3 are functionally different, different materials may be used, or the same material may be used according to the cathode electrode 2. The material is appropriately selected from carbon, metal, metal nitride, metal carbide, metal boride, semiconductor, semiconductor metal compound, and the like. A particularly suitable material for the cathode electrode 2 is an oxynitride (including a surface oxidation form) of a material selected from Ti, Zr, or Nb, which has a sufficiently low resistance as an electrode material. The material is selected because it is a material that does not inhibit or promote the growth of the carbon fiber, and a material that has a good electrical connection with the carbon fiber.

(2)陰極電極2、引出し電極3を設けた基体1上に、フォトリソグラフィー技術によって、触媒微粒子6のリフトオフ層7を形成する(図5(b))。リフトオフ層7は、ネガ型のフォトレジストを好適に用いることができる。   (2) A lift-off layer 7 of catalyst fine particles 6 is formed on the substrate 1 provided with the cathode electrode 2 and the extraction electrode 3 by a photolithography technique (FIG. 5B). For the lift-off layer 7, a negative type photoresist can be preferably used.

(3)次に、開口部を形成したリフトオフ層7上に触媒微粒子6を堆積する(図5(c))。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)がカーボンファイバー形成用の成長核として用いることができる。触媒の形成方法としては、一般的な真空蒸着法、触媒超微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。   (3) Next, catalyst fine particles 6 are deposited on the lift-off layer 7 in which the openings are formed (FIG. 5C). As the catalyst fine particles, Fe, Co, Ni, Pd, or an alloy of materials selected from these (particularly preferably, an alloy of Pd and Co) can be used as a growth nucleus for forming carbon fibers. As a method for forming the catalyst, a general vacuum vapor deposition method, coating of a catalyst ultrafine particle dispersion solvent, coating of an organometallic complex solution, or the like can be used.

(4)触媒微粒子を堆積した基体は、リフトオフ層のエッチャントに浸漬することにより、リフトオフ層およびリフトオフ層上の触媒微粒子を除去する(図5(d))。   (4) The substrate on which the catalyst fine particles are deposited is immersed in an etchant of the lift-off layer, thereby removing the lift-off layer and the catalyst fine particles on the lift-off layer (FIG. 5D).

(5)触媒微粒子のパターニングをした基体は、カーボンファイバーの原料ガス(一酸化炭素、二酸化炭素、種々の炭化水素ガス、あるいはこれらのガスと水素の混合ガス)雰囲気中で加熱(400℃から600℃程度)することにより、カーボンファイバーを形成する。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。   (5) The substrate on which the catalyst fine particles have been patterned is heated (400 ° C. to 600 ° C.) in an atmosphere of carbon fiber source gas (carbon monoxide, carbon dioxide, various hydrocarbon gases, or a mixed gas of these gases and hydrogen). To form a carbon fiber. As the hydrocarbon gas, for example, ethylene, methane, propane, propylene, or vapor of an organic solvent such as ethanol or acetone can be used.

カーボンファイバー形成時に、ダミー基体上の電極間隔Dxが異なる測定素子の抵抗をモニタすれば、基体上の素子のファイバー長を見積もることができ、バッチ間でバラツキが無い基体を安定して形成することができるのである。   By monitoring the resistance of measuring elements with different electrode spacing Dx on the dummy substrate when forming the carbon fiber, the fiber length of the elements on the substrate can be estimated, and a substrate with no variation between batches can be stably formed. Can do it.

すなわち、カーボンファイバー形成時に図4(a)〜(d)の測定素子の(抵抗)−1は模式的に表すと、図6(a)のようにそれぞれステップ的な変化をする。さらに具体的に測定素子(d)について言えば、t<tdでは(抵抗)−1〜0で、t=tdで1/(Dd・R)を示し、さらにt>tdでは時間関してほぼ線形に増大する。ここで、Rは炭素を含むファイバーの単位長さ当たりの抵抗(定数)である。 That is, when the carbon fiber is formed, (resistor) −1 of the measurement elements of FIGS. 4A to 4D schematically changes stepwise as shown in FIG. 6A. More specifically, regarding the measurement element (d), (resistance) −1 to 0 when t <td, 1 / (Dd · R) when t = td, and almost linear with respect to time when t> td. To increase. Here, R is a resistance (constant) per unit length of the fiber containing carbon.

逆にいえば、ギャップ間隔Dxなる測定素子でファーバー一本が短絡したときの抵抗がDx・Rであり、測定用素子それぞれについてDx・Rとなる時間txを追跡すれば、ファイバーの実効的な長さが見積もれるのである(図6(b))。   Conversely, the resistance when one fiber is short-circuited with a measuring element with a gap interval Dx is Dx · R, and tracking the time tx when Dx · R for each measuring element is followed, the effective of the fiber The length can be estimated (FIG. 6B).

以上のような工程を経て得られた電子放出素子に関して、エミッター領域における電子放出点位置とその動作について図7および図8を用いて説明する。数μmのギャップ(間隙)の長さを持つ本素子を、図7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、基板から数ミリの高さ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、流れる素子電流Ifと電子放出電流Ieを計測した。尚、当然ではあるが、駆動電圧Vfは、陰極電極2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8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。 With respect to the electron-emitting device obtained through the above steps, the position and operation of the electron emission point in the emitter region will be described with reference to FIGS. This element having a gap (gap) length of several μm was placed in a vacuum device 60 as shown in FIG. 7, and was sufficiently evacuated until it reached about 10 −4 Pa by a vacuum exhaust device. Then, using a high-voltage power source, an anode (hereinafter referred to as an anode) 61 was provided at a height H of several millimeters from the substrate, and a high voltage Va consisting 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 was applied as the drive voltage Vf applied between the electrodes 2 and 3, and the flowing device current If and the electron emission current Ie were measured. As a matter of course, the drive voltage Vf is higher in potential applied to the gate electrode 2 than in the cathode electrode 2. At this time, the portion where the electric field is most concentrated is the portion closest to the anode 61 of the carbon fiber 4 which is the electron emission material, and the innermost portion of the gap. It is considered that electrons are emitted from a place where the electric field concentrates most among the electron emission materials located near the electric field concentration point. The Ie characteristic of the element was as shown in FIG. That is, Ie suddenly rises from about half of the applied voltage, and If not shown is similar to the characteristics of Ie, but its value is sufficiently smaller than Ie.

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単純マトリックス駆動が可能である。   With this electron emission characteristic, a simple matrix drive in which an electron source in which a plurality of electron emission elements are arranged in a matrix on the same substrate is configured, and a desired element is selected and driven is possible.

本発明のファイバー長制御手法により作製した電子放出素子では、素子間の特性バラツキが3%以下であったのに対し、本発明のファイバー長制御手法を用いない方法では素子間の特性バラツキが8%と比較的大きく、また閾値電圧のバラツキも3〜5V/μm程度であった。   In the electron-emitting device manufactured by the fiber length control method of the present invention, the characteristic variation between the elements was 3% or less, whereas in the method not using the fiber length control method of the present invention, the characteristic variation between the devices was 8%. % And the threshold voltage variation was about 3 to 5 V / μm.

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9から図11を用いて説明する。   Hereinafter, based on this principle, an electron source and an image forming apparatus obtained by arranging a plurality of electron-emitting devices according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図9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10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り、図11は本発明の実施の形態に係る画像形成装置のブロック図である。   FIG. 9 is a schematic plan view of the electron source according to the embodiment of the present invention, FIG. 10 is a partially broken perspective view of the image forming apparatus according to the embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a block diagram of an image forming apparatus according to an embodiment.

図9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9において、m本のX方向配線82はDX1,DX2・・・DXmからなり、蒸着法にて形成された金属配線材料で構成されている。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DY1,DY2・・・DYn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。 In FIG. 9, 81 is an electron source substrate, 82 is an X direction wiring, and 83 is 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. 9, m X-direction wirings 82 are made of DX 1 , DX 2 ... DX m , and are made of a metal wiring material formed by a vapor deposition method. However, the wiring material, film thickness, and width are appropriately designed. On the other hand, the Y-direction wiring 83 is composed of n wirings DY 1 , DY 2 ... DY n and is formed in the same manner as the X-direction wiring 82.

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)。不図示の層間絶縁層は、例えばSiO2で構成される。 An interlayer insulating layer (not shown) is provided between the m X-direction wirings 82 and the n Y-direction wirings 83 to electrically isolate both (m and n are both A positive integer). An interlayer insulating layer (not shown) is made of, for example, SiO 2 .

本発明の実施の形態に係る電子放出素子84を構成する一対の電極(不図示)は、m本のX方向配線82とn本のY方向配線83と導電性金属等からなる結線85によって電気的に接続されている。   A pair of electrodes (not shown) constituting the electron-emitting device 84 according to the embodiment of the present invention is electrically connected by a connection 85 made of m X-direction wirings 82, n Y-direction wirings 83, a conductive metal, and the like. Connected.

X方向配線82には、X方向に配列した本発明の実施の形態に係る電子放出素子84の行を選択するための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、Y方向に配列した本発明の実施の形態に係る電子放出素子84の各列を、入力信号に応じて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。各電子放出素子に印加される駆動電圧は、当該素子に印加される走査信号と変調信号の差電圧として供給される。   The X-direction wiring 82 is connected to scanning signal applying means (not shown) for applying a scanning signal for selecting a row of the electron-emitting devices 84 according to the embodiment of the present invention arranged in the X direction. On the other hand, the Y-direction wiring 83 is connected to modulation signal generating means (not shown) for modulating each column of the electron-emitting devices 84 according to the embodiment of the present invention arranged in the Y direction according to an input signal. The The drive voltage applied to each electron-emitting device is supplied as a difference voltage between the scanning signal and the modulation signal applied to the device.

上記構成においては、単純なマトリクス配線を用い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。このような単純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について、図10を用いて説明する。   In the above configuration, individual elements can be selected using a simple matrix wiring and can be driven independently. An image forming apparatus configured using such a simple matrix electron source will be described with reference to FIG.

図10は、画像形成装置の表示パネルを示している。図10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等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の接着剤を用いて接続されている。97は外囲器であり、例えば真空中で、450度の温度範囲で10分焼成することで、封着して構成される。84は電子放出部であり、82,83は、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の一対の素子電極と接続された、それぞれX方向配線およびY方向配線である。   FIG. 10 shows a display panel of the image forming apparatus. In FIG. 10, 81 is an electron source substrate on which a plurality of electron-emitting devices are arranged, 91 is a rear plate on which the electron source substrate 81 is fixed, and 96 is a face having a fluorescent film 94 and a metal back 95 formed on the inner surface of a glass substrate 93. It is a plate. 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 an adhesive such as frit glass. Reference numeral 97 denotes an envelope, which is configured to be sealed, for example, by baking in a vacuum at a temperature range of 450 degrees for 10 minutes. Reference numeral 84 denotes an electron emission portion, and reference numerals 82 and 83 denote an X direction wiring and a Y direction wiring respectively connected to a pair of element electrodes of the electron emission element according to the embodiment of the present invention.

外囲器97は、上述の如く、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。また、フェースプレート96とリアプレート91と間に、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。メタルバック95は、蛍光膜作製後、蛍光膜の内面側表面の平滑化処理(通常、「フィルミング」と呼ばれる。)を行い、その後Alを、真空蒸着等を用いて堆積させることで作ることができる。   The envelope 97 is composed of the face plate 96, the support frame 92, and the rear plate 91 as described above. Further, by installing a support body (not shown) called a spacer between the face plate 96 and the rear plate 91, an envelope 97 having sufficient strength against atmospheric pressure can be configured. The metal back 95 is formed by performing a smoothing process (usually called “filming”) on the inner surface of the phosphor film after the phosphor film is fabricated, and then depositing Al using vacuum deposition or the like. Can do.

前述したように、本発明の実施の形態に係る電子放出素子は放出電流Ieに対して以下の基本特性を有している。即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Vthがあり、Vth以上の電圧を印加された時のみ電子放出が生じる。電子放出しきい値以上の電圧に対しては、素子への印加電圧の変化に応じて放出電流も変化する。このことから、本素子にパルス状の電圧を印加する場合、例えば電子放出閾値以下の電圧を印加しても電子放出は生じないが、電子放出閾値以上の電圧を印加する場合には電子ビームが出力される。その際、パルスの波高値Vmを変化させる事により出力電子ビームの強度を制御することが可能である。また、パルスの幅Pwを変化させることにより出力される電子ビームの電荷の総量を制御する事が可能である。   As described above, the electron-emitting device according to the embodiment of the present invention has the following basic characteristics with respect to the emission current Ie. That is, there is a clear threshold voltage Vth for electron emission, and electron emission occurs only when a voltage equal to or higher than Vth is applied. For voltages above the electron emission threshold, the emission current also changes with changes in the voltage applied to the device. For this reason, when a pulsed voltage is applied to the device, for example, electron emission does not occur even when a voltage lower than the electron emission threshold is applied, but when a voltage higher than the electron emission threshold is applied, the electron beam is not Is output. At that time, the intensity of the output electron beam can be controlled by changing the pulse peak value Vm. Further, it is possible to control the total amount of charges of the output electron beam by changing the pulse width Pw.

ここで述べた画像形成装置の構成は、本発明を適用可能な画像形成装置の一例であり、本発明の技術思想に基づいて種々の変形が可能である。   The configuration of the image forming apparatus described here is an example of an image forming apparatus to which the present invention can be applied, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention.

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。   Next, more specific examples based on the above embodiment will be described in detail.

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。   In this example, the structure of the electron-emitting device shown in FIG. 1 in the embodiment is manufactured by the manufacturing method of the present invention.

基体上の素子とダミー基体上の測定素子は、カーボンファイバー形成前までの製造方法が全く同一なので、以下詳細説明する製造工程ではダミー基体上の素子も同様に作製している。   Since the element on the substrate and the measuring element on the dummy substrate are manufactured in exactly the same way up to the formation of the carbon fiber, the elements on the dummy substrate are similarly manufactured in the manufacturing process described in detail below.

5および図6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。   The manufacturing process of the electron-emitting device according to this example will be described in detail with reference to FIGS.

(工程1)
基板1に石英基板を用いて十分洗浄を行った後、引出し電極3及び陰極電極2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3、および陰極電極2をパターニングした(図5(a))。
(Process 1)
After sufficiently cleaning the substrate 1 using a quartz substrate, in order to form the extraction electrode 3 and the cathode electrode 2, Ti having a thickness of 100 nm (not shown) was first deposited on the entire substrate by sputtering. Subsequently, a resist pattern was formed by photolithography using a positive photoresist (not shown). Using the patterned photoresist as a mask, dry etching using Ar gas was performed on the Ti film, and the extraction electrode 3 and the cathode electrode 2 having an electrode gap (gap width) of 5 μm were patterned (FIG. 5). (A)).

(工程2)
次にリフトオフ層としてネガ型フォトレジストを用いて、触媒形成部を開口したレジストパターンを形成した(図5(b))。
(Process 2)
Next, using a negative photoresist as a lift-off layer, a resist pattern having an opening in the catalyst forming portion was formed (FIG. 5B).

(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(図5(c))。
(Process 3)
Next, a fine particle film of a Pd—Co alloy was formed by sputtering as a carbon fiber growth catalyst (FIG. 5C).

(工程4)
次に触媒微粒子形成まで行った基体をリムーバーに浸漬してフォトレジスト上の不要な触媒微粒子のリフトオフを行った。
(Process 4)
Next, the substrate that had been formed up to the formation of catalyst fine particles was immersed in a remover to lift off unnecessary catalyst fine particles on the photoresist.

引き続き、基板を加熱し、水素中で熱処理を行った。この段階で直径約3〜10nmの触媒微粒子が形成された。(図5(d))。   Subsequently, the substrate was heated and heat-treated in hydrogen. At this stage, catalyst fine particles having a diameter of about 3 to 10 nm were formed. (FIG. 5D).

以上の工程によって、触媒微粒子のパターン形成までおこなった基体、および同様のダミー基体を作製した。ただし、基体上の素子電極間ギャップをDとすると、ダミー基体上のファーバー長測定素子の電極間ギャップDx(x=1〜5)は、D1=(1/5)D,D2=(2/5)D,D3=(3/5)D,D4=(4/5)D,D5=Dとした。   Through the steps described above, a substrate having been subjected to pattern formation of catalyst fine particles and a similar dummy substrate were produced. However, when the gap between the element electrodes on the base is D, the interelectrode gap Dx (x = 1 to 5) of the fiber length measuring element on the dummy base is D1 = (1/5) D, D2 = (2 / 5) D, D3 = (3/5) D, D4 = (4/5) D, D5 = D.

(工程5)
次に、工程1〜4にしたがって作製した基体とダミー基体を窒素希釈したエチレン気流中で、500℃で加熱処理をした。
(Process 5)
Next, the substrate prepared according to steps 1 to 4 and the dummy substrate were heat-treated at 500 ° C. in an ethylene stream diluted with nitrogen.

加熱処理中、ダミー基体上に形成したギャップ間隔が異なる5種類のファイバー長測定素子の抵抗をモニタした。このとき、各測定素子の(1/抵抗)変化は図6(a)のようであった。すなわち、加熱処理約3分で測定素子1の(1/抵抗)がステップ的に立ち上がり、次いで約5分で測定素子2が立ち上がり、次いで約7分で測定素子3、約9分で測定素子4が立ち上がったので、加熱処理は10分で終了させた。   During the heat treatment, the resistances of five types of fiber length measuring elements with different gap intervals formed on the dummy substrate were monitored. At this time, (1 / resistance) change of each measuring element was as shown in FIG. That is, (1 / resistance) of the measuring element 1 rises stepwise in about 3 minutes of heat treatment, then the measuring element 2 rises in about 5 minutes, then measuring element 3 in about 7 minutes, and measuring element 4 in about 9 minutes. As a result, the heat treatment was finished in 10 minutes.

これを走査電子顕微鏡で断面観察すると、数10nm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5(e))。   When this was cross-sectionally observed with a scanning electron microscope, a form in which a large number of carbon fibers extending in a fiber shape while being bent at about several tens of nanometers were densely packed at a thickness of about 1.5 μm (FIG. 5E). .

以上のようにして作製した電子放出素子を図7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6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)Vf=30Vなるパルス電圧を印加して、流れる素子電流Ifと電子放出電流Ieを計測した。 The electron-emitting device produced as described above was installed in a vacuum device 60 as shown in FIG. 7, and was sufficiently evacuated by a vacuum exhaust device until it reached 2 × 10 −5 Pa. Then, as shown in FIG. 6, Va = 10 KV was applied as the anode (anode) voltage to the anode (anode) electrode 61 which was H = 2 mm away from the element. At this time, a pulse voltage of drive voltage (voltage applied between the electrodes 2 and 3) Vf = 30 V was applied to the element, and the flowing element current If and electron emission current Ie were measured.

素子のIf及びIe特性は、図8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、Vfが30Vでは約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。   The If and Ie characteristics of the device were as shown in FIG. That is, Ie increased rapidly from about half of the applied voltage, and an electron emission current Ie of about 1 μA was measured when Vf was 30V. On the other hand, If was similar to the characteristics of Ie, but its value was one or more orders of magnitude smaller than Ie.

また、素子の駆動初期から安定な放出特性が得られ、カーボンファイバーとゲート電極との電気的な短絡もなく、素子間の特性バラツキはσ/μ=2.4%であった。   In addition, stable emission characteristics were obtained from the early stage of driving of the element, and there was no electrical short circuit between the carbon fiber and the gate electrode, and the characteristic variation between the elements was σ / μ = 2.4%.

ダミー基体によるファーバー長制御を行わないで同様に作製した場合、バッチ間の特性バラツキが3.8%、同一バッチ素子間の特性バラツキはσ/μ=2.8%であった。   When manufactured in the same manner without controlling the fiber length by the dummy substrate, the variation in characteristics between batches was 3.8%, and the variation in characteristics between the same batch elements was σ / μ = 2.8%.

以上のように、本実施例に係わる炭素を含むファイバーを有する基体、ならびに炭素を含むファイバーを基体上に複数配置した電子デバイス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、バッチ間で特性バラツキがない安定な特性を持った電子放出素子が実現できた。   As described above, by using a manufacturing method of an electronic device in which a carbon-containing fiber according to the present embodiment and a plurality of carbon-containing fibers are arranged on the substrate, using a simple and inexpensive manufacturing process, An electron-emitting device having stable characteristics with no variation in characteristics between batches was realized.

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。   In this example, the configuration of the electron-emitting device shown in FIG. 2 in the embodiment is manufactured by the manufacturing method of the present invention.

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。   Hereinafter, the manufacturing process of the electron-emitting device according to the present embodiment will be described in detail.

(工程1)
基板1に石英基板を用いて十分洗浄を行った後、引出し電極3を形成するために、はじめに基板全体に電子ビーム蒸着法により不図示の厚さ5nmのTiと厚さ100nmのPtを蒸着した。引き続き、不図示のポジ型フォトレジスト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、引出し電極3をパターニングした。
(Process 1)
After sufficiently cleaning the substrate 1 using a quartz substrate, in order to form the extraction electrode 3, first, 5 nm thick Ti and 100 nm thick Pt were vapor-deposited on the entire substrate by electron beam evaporation. . Subsequently, a resist pattern was formed by photolithography using a positive photoresist (not shown). Using the patterned photoresist as a mask, the Ti film was dry-etched using Ar gas to pattern the extraction electrode 3.

(工程2)
次に層間絶縁層5として、PCVD法によりSiOを厚さ3μm蒸着した。
(Process 2)
Next, as an interlayer insulating layer 5, SiO 2 was deposited to a thickness of 3 μm by PCVD.

さらに陰極電極2を形成するために、スパッタ法により厚さ100nmのTiを蒸着した。   Further, in order to form the cathode electrode 2, Ti having a thickness of 100 nm was deposited by sputtering.

(工程3)
次にリフトオフ層としてネガ型フォトレジストを用いて、触媒形成部を開口したレジストパターンを形成し、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。
(Process 3)
Next, a negative photoresist was used as a lift-off layer to form a resist pattern having an opening in the catalyst formation portion, and a Pd—Co alloy fine particle film was formed by sputtering as a carbon fiber growth catalyst.

さらに、触媒微粒子形成まで行った基体をリムーバーに浸漬してフォトレジスト上の不要な触媒微粒子のリフトオフを行った。引き続き、基板を200℃に加熱し、水素含有雰囲気中で加熱処理を行い触媒粒子を還元した。   Further, the substrate after the formation of catalyst fine particles was immersed in a remover to lift off unnecessary catalyst fine particles on the photoresist. Subsequently, the substrate was heated to 200 ° C., and heat treatment was performed in a hydrogen-containing atmosphere to reduce the catalyst particles.

(工程4)
引き続き、不図示のポジ型フォトレジスト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、リアクティブ・イオンエッチングによりを行い、陰極電極2および層間絶縁層5をパターニングした。
(Process 4)
Subsequently, a resist pattern was formed by photolithography using a positive photoresist (not shown). Using the patterned photoresist as a mask, reactive ion etching was performed to pattern the cathode electrode 2 and the interlayer insulating layer 5.

(工程5)
次に、工程1〜4にしたがって作製した基体を窒素希釈した0.1%エチレン気流中で、500℃10分間加熱処理をした。
(Process 5)
Next, the substrate prepared according to steps 1 to 4 was heated at 500 ° C. for 10 minutes in a 0.1% ethylene stream diluted with nitrogen.

加熱処理中、触媒微粒子形成部に光照射を行って反射光強度をモニタすることにより、基体上に成長したファイバー実効長を見積もった。ただし、ファイバー実効長-反射光強度相関のデータは同様の素子形態、成長条件で予め取得しておいた。   During the heat treatment, the effective fiber length grown on the substrate was estimated by irradiating the catalyst fine particle forming portion with light and monitoring the reflected light intensity. However, the fiber effective length-reflected light intensity correlation data was acquired in advance under the same device configuration and growth conditions.

これを走査電子顕微鏡で断面観察すると、直径数10nm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。   When this was cross-sectionally observed with a scanning electron microscope, a form was formed in which a large number of carbon fibers extending in a fiber shape while being bent at a diameter of about several tens of nm were densely packed at a thickness of about 1.5 μm.

以上のようにして作製した電子放出素子を図7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7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)Vf=30Vなるパルス電圧を印加して、流れる素子電流Ifと電子放出電流Ieを計測した。 The electron-emitting device produced as described above was installed in a vacuum device 60 as shown in FIG. 7, and was sufficiently evacuated by a vacuum exhaust device until it reached 2 × 10 −5 Pa. Then, as shown in FIG. 7, Va = 10 KV was applied as an anode (anode) voltage to an anode (anode) electrode 61 that was H = 2 mm away from the element. At this time, a pulse voltage of drive voltage (voltage applied between the electrodes 2 and 3) Vf = 30 V was applied to the element, and the flowing element current If and electron emission current Ie were measured.

素子のIf及びIe特性は、図8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、Vfが12V程度から電子放出が確認され、Vf25Vでは約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。   The If and Ie characteristics of the device were as shown in FIG. That is, Ie increased rapidly from about half of the applied voltage, and electron emission was confirmed from Vf of about 12V. An electron emission current Ie of about 1 μA was measured at Vf25V. On the other hand, If was similar to the characteristics of Ie, but its value was one or more orders of magnitude smaller than Ie.

また、素子の駆動初期から安定な放出特性が得られ、カーボンファイバーとゲート電極との電気的な短絡もなく、素子間の特性バラツキはσ/μ=2.6%であった。   In addition, stable emission characteristics were obtained from the early stage of driving of the device, there was no electrical short circuit between the carbon fiber and the gate electrode, and the device characteristic variation was σ / μ = 2.6%.

ダミー基体によるファーバー長制御を行わないで同様に作製した場合、バッチ間の特性バラツキが3.9%、同一バッチ素子間の特性バラツキはσ/μ=3.0%であった。   When manufactured in the same manner without controlling the fiber length by the dummy substrate, the variation in characteristics between batches was 3.9%, and the variation in characteristics between the same batch elements was σ / μ = 3.0%.

以上のように、本実施例に係わる炭素を含むファイバーを有する基体、ならびに炭素を含むファイバーを基体上に複数配置した電子デバイス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、バッチ間で特性バラツキがない安定な特性を持った電子放出素子が実現できた。   As described above, by using a manufacturing method of an electronic device in which a carbon-containing fiber according to the present embodiment and a plurality of carbon-containing fibers are arranged on the substrate, using a simple and inexpensive manufacturing process, An electron-emitting device having stable characteristics with no variation in characteristics between batches was realized.

本実施例は、実施の形態の中の図3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。   In this example, the configuration of the electron-emitting device shown in FIG. 3 in the embodiment is manufactured by the manufacturing method of the present invention.

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。   Hereinafter, the manufacturing process of the electron-emitting device according to the present embodiment will be described in detail.

(工程1)
基板1に石英基板を用いて十分洗浄を行った後、陰極電極2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、陰極電極2をパターニングした。
(Process 1)
After sufficiently cleaning the substrate 1 using a quartz substrate, in order to form the cathode electrode 2, Ti having a thickness of 100 nm (not shown) was first vapor-deposited on the entire substrate by sputtering. Subsequently, a resist pattern was formed by photolithography using a positive photoresist (not shown). Using the patterned photoresist as a mask, the Ti film was dry-etched using Ar gas to pattern the cathode electrode 2.

(工程2)
次にリフトオフ層としてネガ型フォトレジストを用いて、触媒形成部を開口したレジストパターンを形成し、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。
(Process 2)
Next, a negative photoresist was used as a lift-off layer to form a resist pattern having an opening in the catalyst formation portion, and a Pd—Co alloy fine particle film was formed by sputtering as a carbon fiber growth catalyst.

さらに、触媒微粒子形成まで行った基体をリムーバーに浸漬してフォトレジスト上の不要な触媒微粒子のリフトオフを行った。引き続き、基板を200℃に加熱し、窒素で希釈した水素気流中で熱処理し触媒粒子の還元処理を行った。   Further, the substrate after the formation of catalyst fine particles was immersed in a remover to lift off unnecessary catalyst fine particles on the photoresist. Subsequently, the substrate was heated to 200 ° C. and heat-treated in a hydrogen stream diluted with nitrogen to reduce the catalyst particles.

(工程3)
次に層間絶縁層5として、PCVD法によりSiOを厚さ3μm蒸着した。
(Process 3)
Next, as an interlayer insulating layer 5, SiO 2 was deposited to a thickness of 3 μm by PCVD.

さらに引出し電極3を形成するために、電子ビーム蒸着法により厚さ5nmのTiと厚さ100nmのPtを連続蒸着した。   Furthermore, in order to form the extraction electrode 3, Ti having a thickness of 5 nm and Pt having a thickness of 100 nm were continuously deposited by an electron beam evaporation method.

(工程4)
引き続き、不図示のポジ型フォトレジスト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、リアクティブ・イオンエッチングによりを行い、引出し電極3および層間絶縁層5をパターニングした。
(Process 4)
Subsequently, a resist pattern was formed by photolithography using a positive photoresist (not shown). Using the patterned photoresist as a mask, reactive ion etching was performed to pattern the extraction electrode 3 and the interlayer insulating layer 5.

(工程5)
次に、工程1〜4にしたがって作製した基体とダミー基体を窒素希釈したエチレン気流中で、500℃加熱処理をした。
(Process 5)
Next, the substrate prepared according to steps 1 to 4 and the dummy substrate were heated at 500 ° C. in an ethylene stream diluted with nitrogen.

加熱処理中、ダミー基体上に形成したファイバー長測定素子の静電容量をモニタして、基体上のファイバー長制御を行った。   During the heat treatment, the fiber length on the substrate was controlled by monitoring the capacitance of the fiber length measuring element formed on the dummy substrate.

これを走査電子顕微鏡で断面観察すると、直径数10nm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。   When this was cross-sectionally observed with a scanning electron microscope, a form was formed in which a large number of carbon fibers extending in a fiber shape while being bent at a diameter of about several tens of nm were densely packed at a thickness of about 1.5 μm.

以上のようにして作製した電子放出素子を図7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7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)Vf=30Vなるパルス電圧を印加して、流れる素子電流Ifと電子放出電流Ieを計測した。 The electron-emitting device produced as described above was installed in a vacuum device 60 as shown in FIG. 7, and was sufficiently evacuated by a vacuum exhaust device until it reached 2 × 10 −5 Pa. Then, as shown in FIG. 7, Va = 10 KV was applied as an anode (anode) voltage to an anode (anode) electrode 61 that was H = 2 mm away from the element. At this time, a pulse voltage of drive voltage (voltage applied between the electrodes 2 and 3) Vf = 30 V was applied to the element, and the flowing element current If and electron emission current Ie were measured.

素子のIf及びIe特性は、図8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、Vfが12V程度から電子放出が確認され、Vf25Vでは約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。   The If and Ie characteristics of the device were as shown in FIG. That is, Ie increased rapidly from about half of the applied voltage, and electron emission was confirmed from Vf of about 12V. An electron emission current Ie of about 1 μA was measured at Vf25V. On the other hand, If was similar to the characteristics of Ie, but its value was one or more orders of magnitude smaller than Ie.

また、素子の駆動初期から安定な放出特性が得られ、カーボンファイバーとゲート電極との電気的な短絡もなく、素子間の特性バラツキはσ/μ=2.5%であった。   In addition, stable emission characteristics were obtained from the early stage of driving of the device, there was no electrical short circuit between the carbon fiber and the gate electrode, and the variation in characteristics between the devices was σ / μ = 2.5%.

ダミー基体によるファーバー長制御を行わないで同様に作製した場合、バッチ間の特性バラツキが4.1%、同一バッチ素子間の特性バラツキはσ/μ=3.0%であった。   When manufactured in the same manner without controlling the fiber length by the dummy substrate, the characteristic variation between batches was 4.1%, and the characteristic variation between the same batch elements was σ / μ = 3.0%.

以上のように、本実施例に係わる炭素を含むファイバーを有する基体、ならびに炭素を含むファイバーを基体上に複数配置した電子デバイス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、バッチ間で特性バラツキがない安定な特性を持った電子放出素子が実現できた。   As described above, by using a manufacturing method of an electronic device in which a carbon-containing fiber according to the present embodiment and a plurality of carbon-containing fibers are arranged on the substrate, using a simple and inexpensive manufacturing process, An electron-emitting device having stable characteristics with no variation in characteristics between batches was realized.

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。   An image forming apparatus obtained by arranging a plurality of electron-emitting devices according to the above embodiment will be described.

実施例1の電子放出素子を図10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。   The electron-emitting devices of Example 1 were arranged in a matrix as shown in FIG. 10, and the electron source substrate 81 was completed.

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11に示す画像形成装置を作製した。   Using this electron source substrate 81, an anode (anode) substrate 96 having a phosphor 94 is disposed on the electron-emitting device 84 at a distance of 2 mm, thereby producing the image forming apparatus shown in FIG. .

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と同様にバッチ間で安定した特性を持った画像形成装置が得られた。   When driven at a pulse voltage of Vf = 30 V and Va (voltage applied to the anode) = 10 kV, an image forming apparatus having stable characteristics between batches was obtained in the image forming apparatus as in Example 1. .

本発明の炭素を含むファイバーを有する基体の製造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。It is the 1st example of the electron emission element produced with the manufacturing method of the base | substrate which has a fiber containing the carbon of this invention, The typical top view and sectional drawing. 本発明の炭素を含むファイバーを有する基体の製造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。It is the 2nd example of the electron-emitting element produced with the manufacturing method of the base | substrate which has a fiber containing the carbon of this invention, and is the typical sectional drawing. 本発明の炭素を含むファイバーを有する基体の製造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。It is the 3rd example of the electron-emitting element produced with the manufacturing method of the base | substrate which has a fiber containing the carbon of this invention, and is the typical sectional drawing. 第一の例の電子放出素子の製造方法における、ダミー基体上に作製したファイバー長測定素子の模式図である。It is a schematic diagram of the fiber length measuring element produced on the dummy base | substrate in the manufacturing method of the electron-emitting element of a 1st example. 本発明の炭素を含むファイバーを有する基体の製造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。It is a schematic diagram which shows the manufacturing process of the electron emission element of the 1st example produced with the manufacturing method of the base | substrate which has a fiber containing the carbon of this invention. 本発明の炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法における、ファイバー長測定素子の抵抗、変化、および実効的ファイバー長の時間変化を表現した図である。It is a figure expressing resistance of a fiber length measuring element, change, and time change of effective fiber length in a manufacturing method of a substrate which has a fiber containing carbon of the present invention. 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。It is a schematic diagram which shows an example of the vacuum apparatus provided with the measurement evaluation function. 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。It is a schematic diagram which shows the electron emission characteristic of the electron-emitting device by this invention. 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。1 is a schematic plan view of an electron source according to an embodiment of the present invention. 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。1 is a partially broken perspective view of an image forming apparatus according to an embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 基体
2 陰極電極(カソード電極)
3 引出し電極(ゲート電極)
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
1 Substrate 2 Cathode electrode (cathode electrode)
3 Lead electrode (gate electrode)
4 Carbon fiber as emitter material 5 Interlayer insulating layer 6 Catalyst fine particle 7 Lift-off layer 60 Vacuum device 61 Anode 62 Phosphor 81 Base 82 X direction wiring 83 Y direction wiring 84 Electron emitting element 85 Connection 91 Rear plate 92 Support frame 93 Glass base 94 phosphor film 95 metal back 96 face plate 97 envelope

Claims (7)

炭素を含むファイバーの製造方法であって、
表面に触媒層を有する基体を用意する第1工程と、
前記触媒層に炭素を含むガスを接触させた状態で前記基体を加熱することによって、前記基体上に、炭素を含むファイバーを成長させる第2工程と、を有しており、
前記第2工程は,更に、
前記基体上に成長する、炭素を含むファイバーの長さに相当する量を測定し、該測定結果に基づいて、前記基体上に成長する炭素を含むファイバーの成長速度を制御する工程を有することを特徴とする、炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法。
A method for producing carbon-containing fiber,
A first step of preparing a substrate having a catalyst layer on the surface;
A second step of growing a fiber containing carbon on the base by heating the base in a state where the catalyst layer is in contact with a gas containing carbon; and
The second step further includes
Measuring the amount corresponding to the length of the fiber containing carbon grown on the substrate, and controlling the growth rate of the fiber containing carbon grown on the substrate based on the measurement result. A method for producing a substrate having a carbon-containing fiber.
前記第1工程は、さらに、前記基体上に第1電極と第2電極とを配置する工程と、前記第1電極上に前記触媒層を配置する工程とを含み、
前記炭素を含むファイバーの長さに相当する量の測定は、
前記第1電極と第2電極との間の電流の時間変化に基づいて行われることを特徴とする請求項1に記載の炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法。
The first step further includes a step of disposing the first electrode and the second electrode on the substrate, and a step of disposing the catalyst layer on the first electrode,
Measurement of the amount corresponding to the length of the carbon-containing fiber,
The method for producing a substrate having a carbon-containing fiber according to claim 1, wherein the method is performed based on a temporal change in current between the first electrode and the second electrode.
前記第1工程は、さらに、前記基体上に第1電極と第2電極とを配置する工程と、前記第1電極上に前記触媒層を配置する工程とを含み、
前記炭素を含むファイバーの長さに相当する量の測定は、
前記第1電極と第2電極との間の容量の時間変化に基づいて行われることを特徴とする請求項1に記載の炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法。
The first step further includes a step of disposing the first electrode and the second electrode on the substrate, and a step of disposing the catalyst layer on the first electrode,
Measurement of the amount corresponding to the length of the carbon-containing fiber,
2. The method for producing a substrate having carbon-containing fibers according to claim 1, wherein the method is performed based on a temporal change in capacitance between the first electrode and the second electrode.
前記炭素を含むファイバーの長さに相当する量の測定は、
前記基体の一部に光を照射し、該照射した光の反射光強度の時間変化に基づいて行われることを特徴とする請求項1に記載の炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法。
Measurement of the amount corresponding to the length of the carbon-containing fiber,
The method for producing a substrate having a fiber containing carbon according to claim 1, wherein the method is performed based on a temporal change in reflected light intensity of the irradiated light by irradiating a part of the substrate with light.
前記炭素を含むファイバーの成長速度を制御する工程は、前記炭素を含むガスの供給量を制御することにより行われることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法。   5. The carbon-containing fiber according to claim 1, wherein the step of controlling the growth rate of the carbon-containing fiber is performed by controlling a supply amount of the carbon-containing gas. A method for producing a substrate having the same. 基体上に配置された炭素を含むファイバーを複数有する電子デバイスの製造方法であって、
前記炭素を含むファイバーが、請求項1乃至5のいずれかの製造方法により製造されることを特徴とする電子デバイスの製造方法。
A method of manufacturing an electronic device having a plurality of carbon-containing fibers disposed on a substrate,
An electronic device manufacturing method, wherein the carbon-containing fiber is manufactured by the manufacturing method according to claim 1.
前記電子デバイスが、前記炭素を含むファイバーから電子を放出する電子放出素子であることを特徴とする請求項6に記載の電子デバイス。   The electronic device according to claim 6, wherein the electronic device is an electron-emitting device that emits electrons from the carbon-containing fiber.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008027680A (en) * 2006-07-20 2008-02-07 Jfe Engineering Kk Electron emission characteristics evaluation device and its method of carbon nanotube emitter

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