JP2005259579A - 電子放出素子、電子源ならびに画像表示装置の製造方法および電子放出素子の駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 電子放出素子の製造方法であって、第1導電膜と、第2導電膜と、少なくとも前記第1導電膜に接続するように配置された、電子放出部を構成する材料と、を用意する第1工程と、前記第1工程の後に、前記第2導電膜に印加する電位よりも高い電位を前記第1導電膜に印加した際に電子が放出され始める閾電界強度を、前記第1導電膜に印加する電位よりも高い電位を前記第2導電膜に印加した際に電子が放出され始める閾電界強度よりも高くする第2工程と、を有する。
【選択図】 図1
Description
上述のように、制御電極とカソード電極とが対称な構造を採用すると、制御電極側からの電子放出を生じてしまう場合がある。これは、例えば、複数の電子放出素子を配線で接続し、所望の電子放出素子だけから電子を放出させようとした場合などにおいて、駆動電圧とは逆の電圧が印加されてしまう(カソード電極側の電位が制御電極側の電位よりも高くなる)電子放出素子が存在してしまう場合がある。このような場合には、制御電極とカソード電極との間の電圧値によっては、制御電極側に存在する電子放出可能な部分からの電子放出が起こることになる。
また、低電界で電子放出可能な電子放出部を有する電子放出素子を、フラットパネルディスプレイなどに用いる場合には、蛍光体に電子を照射するため、さらに、もう一つの電極(アノード電極)を用いる。このアノード電極は、電子放出素子から放出された電子を引き付け、例えばアノード電極近傍にある蛍光体などの発光体に電子を照射/注入するための役割を主に担う電極である。ディスプレイにおいては、蛍光体などの発光体に照射する電子のエネルギーが大きいことが発光輝度などにおいて重要なので、アノード電極に印加する電位は大きいことが好ましい。また、アノード電極の電位は、常時アノード電極に印加され、その電位自体は一定とすることが好ましい。従って、電子放出量の制御/変調は、制御電極が担う。しかしながら、低電界で電子放出可能な電子放出素子におけるカソード電極および制御電極の電位に対して、アノード電極の電位があまりに大きい(電界が大きい)と、電子放出素子におけるしきい電界Eth(或いは、しきい電圧Vth)が不明瞭になる、あるいは、制御電極の電位による電子放出に必要なしきい電界Eth(或いは、しきい電圧Vth)が低くなってしまう場合がある。すなわち、非選択状態(OFF状態)の電子放出素子から電子が放出されてしまう場合や、選択状態(ON状態)の電子放出素子からの意図しない量の電子放出が続いてしまう場合がある。
先ず予め、その表面を十分に洗浄した、石英ガラス、Na等の不純物含有量を減少させたガラス、青板ガラス、基板表面にSiO2を積層した積層体からなる基板、セラミックスなどの絶縁性基板のうち、いずれか一つを基板1として用い、基板1上に導電性膜31(カソード電極2及び制御電極3となるべき部材)を積層する。(図8(a))
導電性膜31は、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術により形成される。導電性膜31の材料は、例えば、Be,Mg,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,Al,Cu,Ni,Cr,Au,Pt,Pd等の金属または合金材料等から適宜選択される。導電性膜31の厚さとしては、数十nmから数mmの範囲で設定され、好ましくは数百nmから数μmの範囲で選択される。
次いで、図8(b)に示すように導電性膜31上にカーボン層5を堆積する。
フォトリソグラフィー法によりカソード電極2と制御電極3を分離するため、フォトレジストマスク33にてパターニングを行う(図8(c))。
次いで、エッチング処理を行いカソード電極2と制御電極3を分離する(図8(d))。導電性膜31及びカーボン層5のエッチング工程は平滑であるようなエッチング面が望ましく、それぞれの材料に応じて、エッチング方法を選択すれば良い。ドライエッチングでもウエットエッチングでも構わない。
マスク33の除去により、図8(e)に示す形態(図1に示した形態)を形成することができる。
次に、本発明の特徴である、特性調整工程を行う。
先ず予め、その表面を十分に洗浄した、石英ガラス、Na等の不純物含有量を減少させたガラス、青板ガラス、基板表面にSiO2を積層した積層体からなる基板、セラミックスの絶縁性基板のうち、いずれか一つを基板1として用い、基板1上にカソード電極2、絶縁層61、制御電極3を積層する(図16(a))。
フォトリソグラフィー法によりフォトレジストマスク63にてパターニングを行う(図16(b))。
次いで、エッチング処理を行い開口65を形成する(図16(c))。制御電極3、絶縁層61、カソード電極2のエッチング工程は平滑であるようなエッチング面が望ましく、それぞれの材料に応じて、エッチング方法を選択すれば良い。ドライエッチングでもウエットエッチングでも構わない。
マスク33の除去により、図16(e)に示す形態(図15に示した形態)の電子放出素子を形成することができる。
次いで、カーボン層5を堆積する。
次に、本発明の特徴である、特性調整工程を行う。
図8、図9で示す作製方法による実施例を示す。
先ず、基板1に石英ガラスを用い、十分洗浄を行った後、スパッタ法によりカソード電極2及びゲート電極3となる導電性膜31として厚さ100nmのTiNを成膜した(図8(a))。
スパッタ法により、カーボン層5を膜厚4nm程度堆積した。ターゲットとしては、グラファイトを用い、アルゴン雰囲気中で成膜を行った。本カーボン層5は、抵抗率が1×1011Ω・cmであった。(図8(b))。
レジストマスク33をフォトリソグラフィー法を用いて膜厚1μmで作製した。(図8(c))wは1μmとした。
次に、カーボン層とTiN電極とを連続してドライエッチングした。尚、TiN電極を完全にエッチングするために石英ガラス基板も多少エッチングされる条件を選択した(図8(d))。
次に、レジストマスク33を剥離液を用いて除去した。(図8(f))。
熱処理温度:600℃
加熱方式:ランプ加熱
処理時間:60分
混合ガス比:メタン/水素=15/6
熱処理時圧力:6KPa
この工程により、カーボン層5表面に、ダイポール層11を形成した。この状態でのカーボン層5の表面は、非常に平坦であり、rms=0.2nm(膜のみをSi基板に堆積させ、熱処理行った場合に測定)であった。
本構成の電子放出素子を、真空チャンバ内に配置した。このときアノード電極4はITO電極上に蛍光体を配置したものとし、Hは3mmに配置した。
次に、実施例2として、図2で示すカーボン膜を利用した例を示す。
実施例1と同様とした。
次いでHFCVD法によりカーボン層5としてDLC膜を30nm程度堆積した。DLC膜は、抵抗率が1×1012Ω・cmと高い膜であった。成長条件を以下に示す。
ガス:CH4
基板バイアス:−50V
ガス圧:267mPa
基板温度:室温
フィラメント:タングステン
フィラメント温度:2100℃
次いでイオン注入法でコバルトを25keV、ドーズ量3×1016個/cm2でカーボン層5内に注入した。
実施例1と同じとした。ただし、ドライエッチング条件は、カーボン膜の膜厚にあわせて調整した。
本構成の電子放出素子を、実施例1と同様に、真空チャンバ内に配置した。このとき実施例1と同様にアノード電極4はITO電極上に蛍光体を配置したものとし、Hは2mmに配置した。
図15に模式的に示した構成の電子放出素子を作製した。
まず、基板1に石英ガラスを用い、十分洗浄を行った後スパッタ法によりカソード電極2として厚さ500nmのTaを形成した。
次に、絶縁層61として厚さ(h)=1μmのSiO2、ゲート電極3として厚さ100nmのTaをこの順で堆積した。
フォトリソグラフィー法で、ポジ型フォトレジスト(AZ1500/クラリアント社製)のスピンコーティング、フォトマスクパターンを露光し、現像し、マスクパターンを形成した。
マスクパターンをマスクとして、Taのゲート電極3をCF4ガスを用いてドライエッチングし、次いでSiO2膜17をバッファードフッ酸でエッチングして、開口w=5μmを形成した。
マスクパターンを完全に除去した。
次いで、金属100μmの開口を有したデポマスクを使用し、図16(e)で示すようにカーボン層5としてアモルファスカーボン層をホットフィラメントCVD(HF−CVD)法により、膜厚100nmで堆積した。
フィラメント:タングステン
フィラメント温度:1800℃
基板温度:室温
ガス:メタン
ガス圧:0.1Pa
基板−フィラメント間距離:50mm
基板バイアス:350V(導電性膜31に電圧を印加)
基板には、フィラメントからの電子が照射され、室温であっても極表面では活性化しており、ガスが分解されてアモルファスカーボン層が堆積できる条件となっている。作製したアモルファスカーボン層は、TEM観察では、不完全ではあるが部分的にグラファイト構造のある膜であった。表面は微細な凹凸が存在したが、その表面粗さは、Rms=6nm(膜のみをn+−Si基板に堆積させた場合に測定)であった。
本実施例では実施例1で作成した電子放出素子を行方向に1000個×列方向に1000個、マトリクス状に配置した電子源基板80を用いて画像表示装置を作製した。
実施例4と同様の電子源基板41を作製し、電子源基板41とリアプレート51間距離Hを1.5mmになるように図13で示すパネルを形成した。
しかしながら、図11(a)の駆動を行うための半選択電圧は11Vであるが、これは、Vth_r1=10Vより大きく、半選択電圧で完全にはOFFできない。
Vs=−11V、Vns=11V、Vm=11V、Vnm=−11Vとした。
2 カソード電極
3 ゲート電極
4 アノード電極
5 カーボン層
6 駆動電源
7 アノード電源
8 導電性粒子
9 集合体
10 母材
11 ダイポール層
12 炭素
13 水素
23 引き出し電極
24 真空障壁
25 電子
31 導電性膜
32 マスク
33 レジストマスク
41 電子源基体
42 X方向配線
43 Y方向配線
44 電子放出素子
51 リアプレート
52 支持枠
53 ガラス基体
54 蛍光膜
55 メタルバック
56 フェースプレート
57 外囲器
58 高圧端子
61 絶縁層
Claims (14)
- 電子放出部を有する第1導電膜と、該第1導電膜と離れて配置された第2導電膜と、を有し、前記第2導電膜に前記第1導電膜の電位よりも高い電位を印加することで駆動する電子放出素子の製造方法であって、
(A)第1導電膜と、第2導電膜と、少なくとも前記第1導電膜に接続するように配置された、電子放出部を構成する材料と、を用意する第1工程と、
(B)前記第1工程の後に、前記第2導電膜に印加する電位よりも高い電位を前記第1導電膜に印加した際に電子が放出され始める閾電界強度を、前記第1導電膜に印加する電位よりも高い電位を前記第2導電膜に印加した際に電子が放出され始める閾電界強度よりも高くする第2工程と、
を有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。 - 前記第2工程は、前記第1導電膜に前記第2導電膜の電位よりも高い電位を印加することで電子を放出させる工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子の製造方法。
- 前記第2工程は、前記第1導電膜と前記第2導電膜との間に、第1および第2電圧を印加する工程と、を有しており、
前記第1電圧は、前記第1導電膜の電位が前記第2導電膜の電位よりも高く、前記第2電圧が前記第2導電膜の電位が前記第1導電膜の電位よりも高く、
前記第1電圧の絶対値は前記第2電圧の絶対値よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子の製造方法。 - 1×106V/cm以下の電界を前記電子放出部に印加することで電子が放出されることを特徴とする請求項1乃至3に記載の電子放出素子の製造方法。
- 前記第1導電膜と第2導電膜との距離が0.1μm以上であることを特徴とする請求項1乃至4に記載の電子放出素子の製造方法。
- 前記電子放出部を構成する材料が、カーボンファイバー、絶縁層表面にダイポール層を配置した膜、カーボンを主体として金属粒子を含有した膜、アモルファスカーボン層のいずれかであることを特徴とする請求項1乃至5に記載の電子放出素子の製造方法。
- 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請求項1乃至6に記載の製造方法により製造されることを特徴とする電子源の製造方法。
- 電子源と発光体とを有する画像表示装置の製造方法であって、前記電子源が請求項7に記載の製造方法により製造されることを特徴とする画像表示装置の製造方法。
- 複数の行方向配線および複数の列方向配線と、電子放出部を有する第1導電膜と該第1導電膜と離れて配置された第2導電膜とを各々が含む複数の電子放出素子とを有する電子源の製造方法であって、
(A)基体上に、各々が複数の第1導電膜と接続された複数の行方向配線と、各々が複数の第2導電膜と接続された複数の列方向配線と、前記第1導電膜の各々に接続するように配置された電子放出部を構成する材料と、を配置する第1工程と、
(B)前記第1工程の後に、前記第2導電膜に印加する電位よりも高い電位を前記第1導電膜に印加した際に電子が放出され始める閾電界強度を、前記第1導電膜に印加する電位よりも高い電位を前記第2導電膜に印加した際に電子が放出され始める閾電界強度よりも高くするように、前記第2導電膜の各々に前記第1導電膜の電位よりも高い電位を印加する第2工程と、
を有しており、
前記第2工程において、前記第2導電膜の各々に印加する電位は、前記電子源の駆動時において、非選択の電子放出素子を構成する第2導電膜に印加される電位よりも高いことを特徴とする電子源の製造方法。 - 1×106V/cm以下の電界を前記電子放出部に印加することで電子が放出されることを特徴とする請求項9に記載の電子源の製造方法。
- 前記第1導電膜と第2導電膜との距離が0.1μm以上であることを特徴とする請求項9または10に記載の電子源の製造方法。
- 前記電子放出部を構成する材料が、カーボンファイバー、絶縁層表面にダイポール層を配置した膜、カーボンを主体として金属粒子を含有した膜、アモルファスカーボン層のいずれかであることを特徴とする請求項9乃至11に記載の電子源の製造方法。
- 電子源と発光体とを有する画像表示装置の製造方法であって、前記電子源が請求項9乃至12に記載の製造方法により製造されることを特徴とする画像表示装置の製造方法。
- 請求項3に記載の製造方法により製造した電子放出素子の駆動方法であって、電子放出素子の駆動時の電圧が、前記第2電圧よりも低いことを特徴とする電子放出素子の駆動方法。
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