JP2007250219A - 画像表示装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子放出電極を各給電電極毎に簡便に分割する方法が必要であった。
【解決手段】 電子放出電極に給電する給電電極と同層かつ平行に絶縁性の隔壁を形成し、画像表示領域全面に電子放出電極を成膜し、隔壁側面での断切れ、熱処理による凝集や固溶拡散、Ｓｉ隔壁上面へのレーザー照射によるアブレーション、Ｓｉ隔壁を挟んだ走査線間への通電によるジュール熱溶断で、電子放出電極を切断する。
【選択図】 図１３

Description

本発明は、画像表示装置とその製造方法にかかり、特に電子源アレイを用いた自発光型のフラット・パネル・ディスプレイとも称する画像表示装置に好適なものである。

微少で集積可能な電子源を利用する画像表示装置（フィールド・エミッション・ディスプレイ:ＦＥＤ）が開発されている。この種の画像表示装置の電子源は、電界放出型電子
源とホットエレクトロン型電子源とに分類される。前者には、スピント型電子源、表面伝導型電子源、カーボンナノチューブ型電子源等が属し、後者には金属―絶縁体―金属を積層したＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）型、金属―絶縁体―半導体を積層したＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）型、金属―絶縁体―半導体−金属型等の薄膜型電子
源がある。

ＭＩＭ型について、例えば特許文献１、金属―絶縁体―半導体型についてはＭＯＳ型（
非特許文献１）、金属―絶縁体―半導体−金属型ではＨＥＥＤ型(非特許文献２などに記
載)、ＥＬ型（非特許文献３などに記載）、ポーラスシリコン型（非特許文献４などに記
載）などが報告されている。

ＭＩＭ型電子源については、例えば特許文献２に開示されている。ＭＩＭ型電子源の構造と動作は以下のとおりである。すなわち、上部電極と下部電極との間に絶縁層を介在させた構造を有し、上部電極と下部電極との間に電圧を印加することで、下部電極中のフェルミ準位近傍の電子がトンネル現象により障壁を透過し、電子加速層である絶縁層の伝導帯へ注入されホットエレクトロンとなり、上部電極の伝導帯へ流入する。これらのホットエレクトロンのうち、上部電極の仕事関数φ以上のエネルギーをもって上部電極表面に達したものが真空中に放出される。

特開平７−６５７１０号公報

特開平１０−１５３９７９号公報 特願２００３−１３５２６８号公報 ｊ.Ｖａｃ.Ｓｃｉ.Ｔｅｃｈｏｎｏｌ.Ｂ１１(２)ｐ.４２９−４３２(１９９３) ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ、Ｊｐｎ、ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、ｖｏｌ．３６、ｐｐ.９３９ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ、応用物理 第６３巻、第６号、５９２頁 応用物理 第６６巻、第５号、４３７頁

このような電子源を複数の行（例えば水平方向）と複数の列（例えば垂直方向）に並べてマトリクスを形成し、各電子源対応に配列した多数の蛍光体を真空中に配置して画像表示装置を構成することができる。このような電子源では、電子放出電極に表面汚染があると電子が放出しにくくなるため、電子放出電極の加工にホト工程等を用いるのは好ましくない。そのため、電子放出電極の給電電極側壁にアンダーカットを形成したり、表面保護絶縁膜の電子放出部の開口部にアンダーカットを形成し、電子放出電極の成膜時に、アンダーカット部がマスクされ成膜されないことを利用して自己整合的に電子放出電極を切断し、電気的に分離することが行われているが、複雑なプロセスが必要であり、プロセスコストが増大する問題がある。

また、給電電極側壁に形成したアンダーカットは異物等があると短絡しやすく、歩留まり低下要因になる。また一般に絶縁膜は膜応力が高いため、絶縁膜の下にアンダーカットを形成すると、絶縁膜の庇が崩落し、短絡を招く場合がある。

この問題を解決するには、画素分離のための構造とプロセスを簡略化し、ホト工程を削減することと、加工性をよくすること、異物等による歩留まり低下を防止すること、短絡不良箇所を修正できることが必要である。

本発明の第1の目的は、電子放出電極を加工する新たな手法とそれを実現するための電子源の構造を提供することにある。

上記の目的を達成するため、電子源アレイの電子放出電極の給電電極の間に、給電電極と同層かつ平行に設けた絶縁性の隔壁を設けるのが有効である。

絶縁性の隔壁としてはＳｉＮ、ノンドープＳｉ、活性化されていないドープＳｉが有効である。

電子放出電極は、絶縁性の隔壁の急峻な側壁段差を利用した断切れ、熱処理による隔壁表面での凝集や、隔壁内への固溶拡散、電子放出電極の隔壁乗り越え部へ通電による溶断、隔壁上の電子放出電極へのレーザー照射によるアブレーションで切断することが有効である。

以下、本発明の最良の実施形態について、実施例の図面を参照して詳細に説明する。ここではＭＩＭ型電子源を用いた画像表示装置を例として説明する。しかし、本発明は、ＭＩＭ型電子源に限るものではなく、背景技術の欄で説明した各種の電子放出素子を用いた画像表示装置にも同様に適用できる。とりわけ薄い電子放出電極を用い、素子電流の一部のみ真空中に放出するホットエレクトロン型に特に有効である。

図１は、本発明の実施例１の説明図であり、ＭＩＭ型薄膜電子源を用いた画像表示装置を例とした模式平面図である。なお、図１では、主として電子源を有する一方の基板（陰極基板）１０の平面を示すが、一部に蛍光体を形成した他方の基板１１０（蛍光体基板、表示側基板、カラーフィルタ基板）は、その内面に有するブラックマトリクス１２０と蛍光体１１１，１１２，１１３のみを部分的に示してある。

陰極基板１０には、信号線駆動回路５０に接続する信号線（データ線）を構成する下部電極１１、走査線駆動回路６０に接続して信号線と直交配置された走査電極２１、その他の後述する機能膜等が形成されている。なお、陰極（電子放出部）は、走査電極内に配置され、絶縁層１２を介して下部電極１１に積層する上部電極１３で形成され、絶縁層の薄層部分で形成される絶縁層（トンネル絶縁層）１２の部分から電子が放出される。

図２は、ＭＩＭ型電子源の原理説明図である。この電子源は、上部電極１３と下部電極１１との間に駆動電圧Ｖｄを印加して、トンネル絶縁層１２内の電界を１〜１０ＭＶ／ｃｍ程度にすると、下部電極１１中のフェルミ準位近傍の電子はトンネル現象により障壁を透過し、電子加速層である絶縁層１２の伝導帯へ注入されホットエレクトロンとなり、上部電極１３の伝導帯へ流入する。これらのホットエレクトロンのうち、上部電極１３の仕事関数φ以上のエネルギーをもって上部電極１３表面に達したものが真空中に放出される。

図１に戻り、表示側基板１１０の内面には、表示画像のコントラストを上げるための遮光層すなわちブラックマトリクス１２０、赤色蛍光体１１１、緑色蛍光体１１２と青色蛍光体１１３とからなる。蛍光体としては、例えば、赤色にＹ₂Ｏ₂Ｓ:Ｅｕ(ｐ２２−Ｒ)、緑
色にＺｎＳ:Ｃｕ、Ａｌ(ｐ２２−ｇ)、青色にＺｎＳ:Ａｇ、Ｃｌ(ｐ２２−Ｂ)を用いることができる。陰極基板１０と表示側基板とはスペーサ３０で所定の間隔で保持され、表示領域の外周に封止枠（図示せず）を介在させて内部が真空封止される。

スペーサ３０は、陰極基板１０の走査電極２１の幅方向片側に寄って配置されている電子放出部とは反対側に寄って配置し、蛍光面基板のブラックマトリクス１２０の下に隠れるように配置する。下部電極１１は信号線駆動回路５０へ接続し、走査電極配線である走査電極１７は走査線駆動回路６０に接続する。

次に、本発明の画像表示装置の製造方法の実施例について、ドープＳｉを隔壁に用いた場合を例に図３〜図１２を参照して説明する。
先ず、図３に示したように、ガラス等の絶縁性の基板１０上に下部電極１１用の金属膜を成膜する。下部電極１１の材料としてＡｌを用いる。Ａｌを用いるのは、陽極酸化により良質の絶縁膜を形成できるからである。ここでは、Ｎｄを２原子量％ドープしたＡｌ−Ｎｄ合金を用いた。成膜には、例えば、スパッタリング法を用いる。膜厚は６００ｎｍとした。

成膜後はパターニング工程、エッチング工程によりストライプ形状の下部電極１１を形成した(図４)。本実施例の画像表示装置の場合、これは信号線となる。下部電極１１の電極幅は画像表示装置のサイズや解像度により異なるが、そのサブピクセルのピッチ程度、大体１００〜２００ミクロン（μｍ）程度とする。エッチングは例えば燐酸、酢酸、硝酸の混合水溶液でのウェットエッチングを用いる。この電極は幅の広い簡易なストライプ構造のため、レジストのパターニングは安価なプロキシミティ露光や、印刷法などで行うことができる。

次に、電子放出部を制限し、下部電極１１エッジへの電界集中を防止する保護絶縁層１４と、絶縁層１２を形成する。まず、図５に示した下部電極１１上の電子放出部となる部分をレジスト膜２５でマスクし、その他の部分を選択的に厚く陽極酸化して保護絶縁層１４とする。化成電圧を２００Ｖとすれば、厚さ約２７０ｎｍの保護絶縁層１４が形成される。その後、レジスト膜２５を除去して残りの下部電極１１の表面を陽極酸化する。例えば、化成電圧を６Ｖとすれば、下部電極１１上に厚さ約１０ｎｍの絶縁層（トンネル絶縁層）１２が形成される（図６）。

次に、層間絶縁膜１５と、隔壁材料となるＳｉをスパッタ法で成膜する（図７）。層間絶縁膜１５としては、隔壁材料にＳｉを用いる場合は、例えばシリコン酸化物やシリコン窒化膜などを用いることができる。これは後述するようにＳｉ隔壁をドライエッチで加工する際に層間絶縁膜１５のエッチング量が少なくなるようにエッチング選択性を確保できる材料であるためである。ここでは、ＡｒとＮ_２雰囲気中で反応性スパッタにより成膜したシリコン窒化膜ＳｉＮを用い膜厚は２００ｎｍとした。この層間絶縁膜１５は、陽極酸化で形成する保護絶縁層１４にピンホールがあった場合、その欠陥を埋め、下部電極１１と走査電極間の絶縁を保つ役割を果たす。隔壁材料のＳｉはＢやＰ等をドープしたＳｉターゲットを用い、Ａｒ雰囲気中でスパッタ成膜した。厚さを２００ｎｍとした。スパッタで形成したドープＳｉはドープ材が活性化されていないため、ほぼ真性半導体の場合と同様に非常に高抵抗の半絶縁材料として用いることが可能である。

続いて、ドライエッチを用い、ＳｉをＳｉＮの層間絶縁膜１５上で選択的にエッチングし、隔壁を形成する（図８）。Ｓｉの選択ドライエッチは、ＣＦ_４とＯ_２の混合ガス、またはＳＦ₆とＯ_２の混合ガスにより行った。これらのガスはＳｉとＳｉＮをともにエッチングするが、Ｏ_２の比率を最適化することにより、Ｓｉのエッチング選択比を高めることができる。

図９にＳｉとＳｉＮおよびレジストのエッチングレートのＣＦ₄とＯ_２のガス比依存性を示す。Ｏ_２の混合率を30％とすることで、Ｓｉのエッチング速度をＳｉＮのエッチング速度の9倍に高めることができる。したがってＳｉＮ上でＳｉをほぼ選択的にエッチングすることが可能である。また、この混合比でのレジストのエッチングレートはほぼ０であるため、エッチング中のレジストの後退はなく、非常に急峻な側壁を持つＳｉの隔壁１６を形成することが可能である。層間絶縁膜１５に酸化Ｓｉや酸窒化Ｓｉを用いた場合はＳｉＮを用いた場合よりさらにエッチング速度が低下するため高い選択性を得ることができる。隔壁の側壁を、走査電極１７、層間絶縁膜１５より急峻にすることにより、後に電子放出電極が隔壁の側壁では段切れしやすく、その他では段切れしにくくすることができる。

続いて、電子放出電極の給電線、本実施例の画像表示装置の場合は走査電極となるＡｌ膜を４．５μｍの厚さでスパッタ成膜し（図１０）、ホトエッチング工程により、下部電極１１とは直交し、電子放出部が電極内の幅方向片側に寄って開口している走査電極１７を形成した。エッチングは例えば燐酸、酢酸、硝酸の混合水溶液でのウェットエッチングを用いる（図１１）。本給電電極は電子放出電極を段切れさせずに接続するためテーパ―加工する。層間絶縁膜となすテーパ―角は、隔壁と層間絶縁膜がなすテーパ―角より小さくしておく。ＡｌやＡｌ合金は、エッチング液の燐酸、酢酸、硝酸の比率を調整することにより、具体的には硝酸の比率を高めることによりレジスト端面の接着性を低下させることで容易にテーパ―加工できる材料であり、また耐酸化性が高いため、本画像表示装置の走査線材料として最も好ましいものである。

続いて、層間絶縁膜１５を加工し、電子放出部を開口する。電子放出部はピクセル内の１本の下部電極１１と、下部電極１１と直交する２本の走査電極に挟まれた空間の直交部の一部に形成する。エッチングは、例えばＣＦ₄やＳＦ₆を主成分とするエッチング剤を用いたドライエッチングによって行うことができる（図１２）。

次に、電子放出電極１３膜の成膜を行う。この成膜法は、例えばスパッタ成膜を用いる。上部電極１３としては、例えばＩｒ、Ｐｔ、Ａｕの積層膜を用い、膜厚は例えば３ｎｍとした。（図１３）。

以上の工程により、上記のような薄い電子放出電極１３の場合は、図１４に示すようにＳｉの急峻な側壁の段差により、電子放出電極を成膜した段階で段切れが起こり、各走査線間の抵抗は２０ＭΩ（測定器の測定精度上限）が得られ、画像表示を行う際にクロストークが発生しない実用上問題ない抵抗値で各走査線毎に電気的に分離される。

上記よりも厚い電子放出電極、例えばＩｒ、Ｐｔ、Ａｕの積層膜を６ｎｍとした場合は、隔壁への付きまわりがよくなるため、成膜段階では各走査線毎に完全には分離できない。しかしながら隔壁のＳｉは加熱すると多くの貴金属や遷移金属を固溶し、シリサイド化すること、さらに加熱による酸化でＳｉＯ_２の皮膜が成長するため、パネル化の熱工程を経れば非導通となり、電子放出電極を各走査線毎に電気的に分離することが可能である。その模式図を図１５（１８は加熱しシリサイド化した隔壁）に、画素間の抵抗変化を図１６に示す。熱工程前は走査電極間抵抗は１０ｋΩ台と低かったのに対し、熱工程後は２０ＭΩ（測定器の測定精度上限）が得られ、画像表示を行う際にクロストークが発生しない実用上問題ない抵抗値で分離されている。

上記とは別の画素分離法として図１７に示すように隔壁１６にレーザー光を照射し、隔壁１６表面を加熱することにより、電子放出電極１３をアブレーションで切断することが可能である。特にＳｉを隔壁１６とすることで、熱吸収効率が向上すること、さらに下地の層間絶縁膜１５や下部電極１１のダメージを防止することが可能である。この工程は画素分離のために基板全面に用いることも可能であるが、加工時間がかかるので、分離不良箇所の修正等に用いるのがより有効である。

さらに別の分離法として、図１８に示すように隔壁１６の両側の走査電極１７間に電圧を印加し、電子放出電極１３に通電することにより、電子放出電極１３をジュール熱で溶断することも可能である。隔壁１６側面の電子放出電極１３の付きまわりは悪く、抵抗は高いため容易に溶断することが可能である。この方法は短絡している走査電極１７間のみ選択的に電圧を印加することで、分離箇所の修正するのにも有効である。特に蛍光板と組み合わせてパネル化が完了して後は、レーザーによる修正が困難なため、本方法は非常に有効である。

以上の方法により、電子放出電極を簡単な手法により各走査線毎に分離加工することができ、プロセスコストの低減が可能となる。また画素分離不良箇所の有効な修正方法を実現することが可能である。

なお、上記はＳｉを隔壁として用いた場合だが、ＳｉＮを隔壁として用いる場合は、層間絶縁膜を酸化Ｓｉ、酸窒化Ｓｉとすればドライエッチの選択可能が可能である。また、ＳｉＮを用いた場合は熱処理によるシリサイド化反応は起こらないが、ＳｉＮ隔壁のドライエッチ加工側面は成膜面に比べ凹凸が激しいため、熱処理すると電子放出電極が凝集し、島状になって電気的に非導通となるので、Ｓｉ隔壁の場合と同様に熱処理による分離も可能である。

また本実施例では、隔壁は走査線間に配置し、隔壁は両側面が露出した状態で用いられていたが、電子放出電極の分離のためには片方の側面があれば十分である。従って図１９に示すような構造にしてもよい。その場合、隔壁表面の絶縁膜露出部を減らすことができ、パネル内の帯電を抑制し、陰極基板と蛍光体基板の間の放電等の異常を防止することに有効である。

さらに、図１９の構造に対し、Ｓｉの隔壁１６ドライエッチを行うと、走査電極１７をマスクにＳｉ隔壁１５のサイドエッチを行うことができ、図２０に示すように走査電極１７の一方の側面にアンダーカットを形成することも可能である。この場合、走査電極１７の一方の側面が上部電極１３を成膜する際の庇となり、アンダーカット部がマスクされ上部電極１３が成膜されないことを利用して自己整合的に電子放出電極を分離することも可能である。

本発明の実施例１を説明するＭＩＭ型薄膜電子源を用いた画像表示装置を例とした模式平面図である。 薄膜型電子源の動作原理を示す図である。 本発明の薄膜型電子源の製法を示す図である。 本発明の薄膜型電子源の製法を示す図３に続く図である。 本発明の薄膜型電子源の製法を示す図４に続く図である。 本発明の薄膜型電子源の製法を示す図５に続く図である。 本発明の薄膜型電子源の製法を示す図６に続く図である。 本発明の薄膜型電子源の製法を示す図７に続く図である。 本発明の薄膜型電子源の製法を示す図８に続く図である。 本発明の薄膜型電子源の隔壁のドライエッチ条件を示す図である。 本発明の薄膜型電子源の製法を示す図１０に続く図である。 本発明の薄膜型電子源の製法を示す図１１に続く図である。 本発明の薄膜型電子源の製法を示す図１２に続く図である。 本発明の薄膜型電子源の走査線間の抵抗を示す図である。 本発明の薄膜型電子源の製法を示す図１４に続く図である。 本発明の加熱固溶により分離した走査線間の抵抗を示す図である。 本発明のレーザ照射により分離する方法を示す図である。 本発明の走査線間に通電して、分離する方法を示す図である。 本発明の隔壁と走査電極との配置関係の別の実施例を示す図である。 本発明の隔壁と走査電極との配置関係の別の実施例を示す図である。

符号の説明

１０・・・陰極基板、１１・・・下部電極、１２・・・絶縁層（トンネル絶縁層）、１
３・・・上部電極、１４・・・保護絶縁層、１５・・・層間絶縁膜、１６・・・隔壁、１７・・・走査電極、１８・・・シリサイド化した隔壁、２５・・・レジスト膜、３０・・・スペーサ、５０・・・信号線駆動回路、６０・・・走査線駆動回路、１１１・・・赤色蛍光、１１２・・・緑色蛍光体、１１３・・・青色蛍光体、１２０・・・ブラックマトリクス。

Claims (18)

1. 信号電極と、薄膜の電子放出電極から構成され、電子放出電極から電子を放出する電子源アレイと、電子源アレイに対向して配置される蛍光面とを有する画像表示装置において、該信号電極上に積層される層間絶縁膜の上に互いに平行に設けられ、該電子放出電極への給電を行なう複数の給電電極の間に、該給電電極と同層かつ平行に設けた絶縁性の隔壁を有しており、画像表示領域全面に成膜される電子放出電極は、前記隔壁により各給電電極毎に電気的に分離されていることを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１記載の隔壁材料は絶縁体、または絶縁性の半導体であることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項２記載の絶縁体の隔壁材料は窒化Ｓｉであることを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項２記載の絶縁性の半導体の隔壁材料は、真性半導体、または活性化されていない不純物ドープ半導体であることを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項４記載の絶縁性の半導体はノンドープＳｉまたは、活性化処理処理されていないＢやＰ等をドープした絶縁性のドープＳｉであることを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項３記載の窒化Ｓｉ隔壁の下地となる層間絶縁膜は、酸化Ｓｉ、酸窒化Ｓｉであることを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項５記載のＳｉ隔壁の下地となる層間絶縁膜は、窒化Ｓｉ、酸化Ｓｉ、酸窒化Ｓｉであることを特徴とする画像表示装置。
8. 請求項１記載の隔壁は、隣りにある一方の給電電極とは離間し、もう一方の給電電極とは接しており、隔壁の一方の側面のみが露出していることを特徴とする画像表示装置。
9. 請求項１記載の隔壁は、隣りにある一方の給電電極とは離間し、もう一方の給電電極に被覆され、給電電極の一方の側面にアンダーカットを形成していることを特徴とする画像表示装置。
10. 請求項１記載の給電電極は層間絶縁膜面に対し、テーパー加工されていることを特徴とする画像表示装置。
11. 請求項１記載の隔壁側面の層間絶縁膜面に対するテーパー角は、給電電極の層間絶縁膜面に対するテーパー角より大きいことを特徴とする画像表示装置。
12. 請求項１記載の給電電極はＡｌ、またはＡｌを主材料とするＡｌ合金であることを特徴とする画像表示装置
13. 請求項１記載の隔壁は、ドライエッチにより層間絶縁膜に対し選択エッチすることで形成することを特徴とする画像表示装置の製造方法。
14. 請求項１記載の電子放出電極を、隔壁の急峻な段差を利用して断切れさせ、該隔壁の両側の給電電極の間を電気的に分離することを特徴とする画像表示装置の製造方法。
15. 請求項１記載の電子放出電極を、熱処理により隔壁の表面で凝集させることにより、該隔壁の両側の給電電極の間を電気的に分離することを特徴とする画像表示装置の製造方法。
16. 請求項１記載の電子放出電極を、熱処理によりＳｉ隔壁と固相反応させ、吸収拡散させることにより、該隔壁の両側の給電電極の間を電気的に分離することを特徴とする画像表示装置の製造方法。
17. 請求項１記載の電子放出電極に、隔壁を挟んだ２本の給電電極間に電圧を印加することで通電し、隔壁乗り越え部の電子放出電極の高抵抗部をジュール熱で溶断することにより、該隔壁の両側の給電電極の間を電気的に分離することを特徴とする画像表示装置の製造方法、および配線修正方法。
18. 請求項１記載の隔壁上の電子放出電極にレーザー光を照射し、アブレーションにより電子放出電極を溶断することにより、各給電電極毎に電気的に分離することを特徴とする画像表示装置の製造方法、および配線修正方法。
    。
    

Images