JP2007299667A - 電子放出源の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い発光均一性を有する電子放出源の製造方法を提供する。
【解決手段】まず、ガラス基板１上にカソード電極層２が形成される。次に、カソード電極層２上に絶縁層３が形成される。その後、絶縁層３に開口部が形成される。次に、開口部内に電子放出材料４が形成される。その後、電子放出材料４が焼結され、絶縁層３と電子放出材料４との間に空隙が形成される。
【選択図】図７

Description

本発明は、電子放出源の製造方法に関するものである。

電界放出型表示装置（Field Emission Display：以下「ＦＥＤ」ともいう。）は、電子放出源を備えている。電子放出源は、基板上に形成されたカソード層、カソード層に接触する電子放出材料、および絶縁層を介してカソード層に対向する引き出し電極層（以下、引き出し電極層は、ゲート電極層と呼ばれる。）を有している。電子放出源においては、絶縁層およびゲート電極層には電子放出用の開口部が設けられている。電子放出材料はその開口部の底面または下部において露出している。

また、電子放出源が電子を放出するときには、真空中でカソード層を基準としてゲート電極層に正電位が与えられる。それにより、電子放出材料の表面に電界が印加される。その結果、電子放出材料内の繊維状電子放出源の先端で電界集中が発生し、繊維状電子放出源の先端から電子が放出される。その後、電子は、さらに電界によって加速され、電子放出材料に対応する蛍光板に衝突する。その結果、蛍光板で発光が生じる。

上記のように、電子放出材料の上方にゲート電極層が形成される。つまり、いわゆる三極構造が形成される。そのため、カソード層、ゲート電極層、および電子放出材料の形成のために、微細加工工程および位置合わせ工程が必要である。これらの工程において、位置合わせのズレを低減するために、露光用のマスクの枚数を低減することが望ましい。

また、繊維状電子放出源としてカーボンナノチューブを用いた三極構造の製造方法に関する技術としては、たとえば、特開２００２−２４５９２８号公報に開示された技術がある。この特許文献に開示された技術によれば、基板上に透明電極および不透明電極のそれぞれが形成され、背面露光が行なわれる。その結果、カソード層に対するカーボンナノチューブ層およびゲート電極層の位置ズレが低減される。
特開２００２−２４５９２８号公報

前述の特許文献に開示された製造方法によれば、カーボンナノチューブペーストにネガティブ感光特性、すなわち感光されない部分の膜が除去されるような感光特性を付与することが必要である。そのため、以下のような不都合が発生する。

カーボンナノチューブペーストのように黒色のペーストに感光特性を付与するためには、カーボンナノチューブの濃度を低下させなければならない。そのため、充分な量のカーボンナノチューブを含有したペーストを作成することが困難である。また、背面露光が行なわれるときの露光深度に依存して、残存するカーボンナノチューブの膜厚が決定される。そのため、電子放出材料の膜厚のばらつきが大きくなる。その結果、ゲート電極層とカーボンナノチューブ層との間の距離にばらつきが生じる。したがって、最終的に電子放出材料の面方向における発光の均一性が低下する。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い発光均一性を有する電子放出源の製造方法を提供することである。

本発明の電子放出源の製造方法においては、まず、基板上にカソード層が形成される。次に、カソード層上に絶縁層が形成される。その後、絶縁層に開口部が形成される。その後、開口部内に電子放出材料が形成される。次に、電子放出材料が焼結され、絶縁層と電子放出材料との間に空隙が形成される。

本発明によれば、高い発光均一性を有する電子放出源が得られる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の電子放出源の製造方法を説明する。
（実施の形態１）
図１〜図１３を用いて、本発明の実施の形態の電子放出源の製造方法を説明する。本実施の形態の電子放出源は、ＦＥＤの背面パネルに設置されるものである。

本実施の形態の電子放出源の製造方法においては、まず、図１に示されるように、ガラス基板１の上面上にカソード層２が形成される。次に、カソード層２の上面上に感光性ガラスペーストがスクリーン印刷によって塗布される。その後、ガラスペーストが乾燥させられる。その結果、図２に示されるように、膜厚約３０μｍの絶縁層３が形成される。次に、図３に示されるように、絶縁層３にカソード層２の表面まで到る開口部３ａが形成される。開口部３ａの径は３０μｍ程度である。また、開口部３ａの断面形状においては、カソード層２の表面における径よりも絶縁層３の表面における径の方が小さい。つまり、開口部３ａは、いわゆる逆テーパー形状を有している。開口部３ａは、写真製版工程を経て形成される。

次に、図４に示されるように、絶縁層３の焼結工程が実行される。その後、図５に示されるように、絶縁層３の開口部３ａ内および絶縁層３上に電子放出材料４が形成される。次に、図６に示されるように、電子放出材料４の表面が研磨される。それにより、絶縁層３の表面の電子放出材料４が除去され、絶縁層３の上面が平坦化される。次に、図７に示されるように、電子放出材料４の焼結工程が実行され、電子放出材料４と絶縁層３とが分離される。その後、図８に示されるように、電子放出材料４と絶縁層３との間の空隙に樹脂５が充填される。樹脂５は、３５０℃程度の大気雰囲気中での焼成工程によって分解され得る。この樹脂５は平坦化される。

次に、絶縁層３の表面上に樹脂５を覆うように、図９に示されるように、本発明の導電層の一例の金属薄膜６がスパッタ法によって形成される。その後、図１０に示されるように、金属薄膜６上にゲート電極層をパターニングするためのリソグラフィが実行される。次に、図１１に示されるように、熱処理によって樹脂５が分解される。その後、図１２に示されるように、金属薄膜６のうち分解された樹脂５上に形成されていた部分７が除去される。その結果、電子放出材料４が露出する。次に、露出した電子放出材料４に対して表面処理が施される。

本実施の形態の電子放出源は、以上のような工程を経て製造されるため、以下のような特徴を有する。

本実施の形態の電子放出源は、電子放出材料と絶縁層とが焼結工程において膜収縮作用によって分離される。そのため、ゲート電極層と電子放出材料との間の耐電圧の確保のために必要な距離が容易に確保され得る。また、電子放出材料、絶縁層およびゲート電極層を個々のマスクを用いてパターニングする必要がない。そのため、マスク数が低減される。また、アライメントのズレが低減される。そのため、ゲート電極層と電子放出源との位置関係のばらつきが生じ難い。その結果、電子放出材料の面方向の電子放出量の均一化を図ることができる。したがてって、良好な発光均一性を有する背面パネルが得られる。

以下、本実施の形態の電子放出源の製造方法を詳細に説明する。
工程１：カソード層２の形成（図１参照）
図１に示されるように、ガラス基板１の上面上に透明導電膜が形成される。透明導電性膜としては、たとえばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜が用いられる。ＩＴＯ膜は、カソード層２となる膜である。また、ＩＴＯ膜は、スパッタ法によって形成される。その後、フォトリソグラフィ等の方法を用いて、ＩＴＯ膜がパターニングされる。それにより、カソード層２がライン状に形成される。

なお、カソード層２の膜厚は、たとえば０．３μｍである。また、前述のフォトリソグラフィとは、半導体製造技術において、光または電子線等を利用して、基板上にパターンを転写する写真製版のことを意味する。このリソグラフィ工程は、レジストの塗布、露光、エッチング、および、レジストの除去等の様々な工程を含んでいる。ただし、これらの工程は、一般的な工程であるため、本実施の形態においては、それらの工程が一つの工程として説明される。

工程２：絶縁層の形成（図２参照）
次に、図２に示されるように、ガラス基板１およびカソード層２を覆うようにたとえば感光性ガラスペーストがスクリーン印刷によって形成される。この後、１５０℃で３０分間、乾燥工程が実行される。それにより、ガラスペーストが乾燥させられる。その結果、膜厚３０μｍの乾燥膜が得られる。ここで、乾燥膜の膜厚は、ペーストの粘度、固形分比、スクリーン版のメッシュワイヤ径、および乳剤厚などよって様々である。そのため、所望の膜厚が得られるように、ペーストの粘度、固形分比、スクリーン版のメッシュワイヤ径、および乳剤厚が調整される。また、本実施の形態においては、乾燥膜の膜厚が３０μｍであるが、後述される焼成工程を経て絶縁層と電子放出材料とが分離しさえすれば、乾燥膜の膜厚は、３０μｍに限定されず、いかなる値であってもよい。

工程３：絶縁層内への開口部の形成（図３参照）
次に、図３に示されるように、感光性ガラスペーストからなる絶縁層３に、フォトリソグラフィの方法を用いて、開口部３ａが形成される。本実施の形態においては、感光性ガラスペーストはネガ型の感光性を有する。そのため、露光された部分が、光硬化し、現像後に残存する。また、開口部３ａの断面形状においては、カソード層２の表面における径よりも絶縁層３の表面における径の方が小さい。つまり、開口部３ａは、いわゆる逆テーパー形状を有している。開口部３ａが逆テーパー形状に形成される理由は次のようなものである。

感光性ガラスペーストが直径０．３〜１μｍ程度のガラス粉末を内包している。そのため、光の散乱が起き易い。そのため、感光性ガラスペースト膜の深い位置ではパターンの輪郭がぼやける。つまり、感光ガラスペーストの深い位置においては、浅い位置に比較して、比較的狭い範囲でしか、光硬化が生じない。その結果、逆テーパー形状を有する開口部３ａが形成される。

工程４：絶縁層の焼成（図４参照）
次に、図４に示されるように、感光性ガラスペースト内に含有される樹脂成分、主にはエチルセルロースが、大気中３５０℃で、焼成される。その結果、エチルセルロースは焼失する。さらに、５５０℃まで温度が上昇し、一旦、ガラスが軟化する。その後、感光性ガラスペーストは、室温まで冷却される。その結果、均質な絶縁層３が得られる。このとき、絶縁層３の膜厚は、エチルセルロースの焼失に起因して、１２μｍ程度になっている。また、絶縁層３のパターン形状は縮小される。膜厚の減少およびパターン形状の縮小の程度は、感光性ガラスペースト中のエチルセルロースの含有率および焼成温度に依存している。

工程５：電子放出材料の形成（図５参照）
次に、電子放出材料としてのカーボンナノチューブを含有したペーストが、スクリーン印刷法によって、ガラス基板１上に塗布される。カーボンナノチューブペーストはカーボンナノチューブの他にエチルセルロースおよびターピネオールなどを含有している。また、ペースト中には、鉛ガラス微粒子、銀微粒子、または、ニッケル微粒子が含有されていてもよい。

印刷されたカーボンナノチューブ膜の厚さは、周囲の絶縁層３の膜厚より大きい。印刷されたカーボンナノチューブ膜の膜厚は、印刷ペーストの粘度、固形分比、スクリーン版のメッシュワイヤ径、および乳剤厚などによって様々である。そのため、印刷後のカーボンナノチューブ膜の膜厚が所望の値になるように、印刷ペーストの粘度、固形分比、スクリーン版のメッシュワイヤ径、および乳剤厚等のパラメータが調整される。また、１回の印刷ではカーボンナノチューブ膜の膜厚が所望の膜厚に至らない場合には、印刷されたカーボンナノチューブ膜が乾燥された後、２層目以降のカーボンナノチューブ膜が、１層目のカーボンナノチューブ膜上に重ねて印刷されても、所望の膜厚を有する電子放出材料を形成することができる。

工程６：電子放出材料膜の研磨工程（図６参照）
次に、図６に示されるように、絶縁層３の開口部３ａ内の領域以外の領域に形成された電子放出材料４が研磨によって除去される。研磨のために回転ベルト形式自動研磨機が使用される。その研磨機においては、約＃１０００番の研磨テープが、ゴムローラーに巻きつけられている。研磨時には、カーボンナノチューブ膜上に水を流しながら研磨テープがゴムローラーとともに回転させられる。この研磨機によって研磨面が平坦化される。その結果、絶縁層３の上面上の電子放出材料４が全て除去され、開口部３ａ内に埋め込まれた電子放出材料４の表面が周囲の絶縁層３表面と同じ高さに位置付けられる。

この工程においては、絶縁層３の開口部３ａ内における電子放出材料４としてのカーボンナノチューブ膜の膜厚が、周囲の絶縁層３の膜厚よりも大きくなっている。そのため、研磨時に開口部３ａ内のカーボンナノチューブ膜の表面も研磨される。その結果、開口部３ａ内のカーボンナノチューブ膜の上面の高さとその周囲の絶縁層３の上面の高さとが一致する。

工程７：電子放出材料膜の焼成（図７参照）
次に、電子放出材料４としてのカーボンナノチューブ膜内に含有される樹脂成分、主にはエチルセルロースが、焼成される。エチルセルロースは、大気中で３５０の温度で焼失する。したがって、電子放出材料４の温度が、５５０℃まで上げられた後、室温まで下げられる。その間に、カーボンナノチューブ膜中の樹脂が焼失する。そのため、カーボンナノチューブ膜の体積は減少する。その結果、図７に示されるように、カーボンナノチューブ膜の膜厚が減少し、周囲の絶縁層３の表面よりも低い位置にカーボンナノチューブ膜の表面が位置付けられる。

一方、カーボンナノチューブ膜は、面内方向にも収縮する。そのため、カーボンナノチューブ膜と絶縁層３とは面内方向において分離される。つまり、電子放出材料４と絶縁層３とは、面内方向において分離される。さらに、絶縁層３は、５５０℃の温度の雰囲気中で軟化する。そのとき、絶縁層３の表面張力によって、逆テーパー形状を有する開口部３ａは、カソード層２の主表面に対して垂直方向に延びる壁面を有する開口部３ｂへ変化する。その結果、カーボンナノチューブ膜と絶縁層３との分離が促進される。

工程８：樹脂の充填および研磨（図８参照）
次に、溶剤に樹脂が溶解したペーストが、スクリーン印刷等を用いて、絶縁層３の開口部３ｂに充填され、樹脂５が形成される。このとき、開口部３ｂの領域以外の領域にペーストが塗布され、前述の工程６における電子放出材料４の研磨方法と同じ方法で、樹脂が研磨され、開口部３ｂ内に樹脂５が残存させられる。

電子放出材料４の焼成工程における収縮によって電子放出材料４の上面は周囲の絶縁層３の上面よりも低く位置付けられている。そのため、樹脂５の研磨が実行されても、電子放出材料４上には樹脂５が残存している。言い換えれば、樹脂５が研磨された後においても電子放出材料４は樹脂５によって被覆されている。

この工程において使用される樹脂５は、３５０℃程度の温度の大気中で焼失するものであることが必要である。また、本実施の形態で使用された樹脂５は、エチルセルロースがターピネオールに溶解したペースト状態のものである。

工程９：ゲート電極層の形成（図９参照）
図９に示されるように、絶縁層３および樹脂５を連続して覆うように、絶縁層３および樹脂５上に導電性材料が形成される。導電性材料は、後述されるパターニング工程を経て導電性膜としてのゲート電極層６になる。本実施の形態では、ゲート電極層６は、ＡＬ膜からなり、スパッタリング法によって形成され、０．３μｍという膜厚を有している。

工程１０：ゲート電極層のパターニング（図１０参照）
導電性材料が、ゲート電極層６として機能するように、通常のリソグラフィの工程を用いて、ストライプ状にパターニングされる。ただし、この工程では、ゲート電極層のみがパターニングされ、ゲート電極層６に接続された電子取出部は形成されない。

工程１１：樹脂の焼成工程（図１１参照）
図１１に示されるように、樹脂５が３５０度の大気中で１時間焼成される。それにより、樹脂５が焼失する。このとき、樹脂５はゲート電極層６となるＡＬ膜で被覆されているが、ＡＬ膜に微小なピンホールを開けながら蒸発することが確認されている。図１１においては、便宜上、ゲート電極層６と電子放出材料４との間には空隙が設けられている描画が行なわれているが、実際の完全に樹脂５が焼失した状態では、ピンホールを多数含んだＡＬ膜７が電子放出材料４の上面に密着している。

工程１２：不要部分の導電性膜としてのＡＬ膜の除去工程（図１２参照）
図１２に示されるように、本実施の形態においては、ピンホールを多数含んだＡＬ膜７の除去に粘着テープが使用される。ピンホールを多数含んだＡＬ膜７に粘着テープを貼り付け、その粘着テープを引き剥がす。それにより、脆くなったＡＬ膜７のみが粘着テープに付着して除去される。その結果、絶縁層３の上面上に、絶縁層３の開口部３ｂのパターン形状と同一のパターン形状の開口部を有するゲート電極層６が残存する。

工程１３：電子放出材料の表面処理（図１３参照）
図１３に示されるように、本実施の形態においては、電子放出材料４としてスクリーン印刷されたカーボンナノチューブ膜が使用されている。そのため、良好な電界電子放出を得るために、レーザ照射による表面活性化処理が実行される。ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザの３倍高調波が、１００ｍＪ／ｃｍ²のエネルギー密度で、電子放出材料４に照射される。その結果、カーボンナノチューブ膜の表面に、電子放出特性が良好な起毛したカーボンナノチューブが得られる。

（実施の形態２）
本実施の形態の電子放出源の製造方法は、実施形態１の電子放出源の製造方法とほぼ同様である。そのため、以下においては、本実施の形態の電子放出源の製造方法と実施の形態１の電子放出源の製造方法とが異なる点のみが説明される。

実施の形態１の電子放出源の製造方法においては、絶縁層３を形成するための感光性ガラスペーストが、３０μｍの乾燥膜厚が得られるように、スクリーン印刷される。一方、本実施の形態においては、図２に示される絶縁層３が上下２層に分けて印刷される。

ネガ型である感光性ガラスペーストが、露光および現像によって、パターンニングされるときに、ペーストの表面からガラス基板の上面までの間において露光光が散乱する。そのため、ガラス基板の上面の近傍の開口部の幅が、ペーストの上面の開口部の幅よりも大きくなる。そのため、開口部が、いわゆる逆テーパー型になる。

本実施の形態の電子放出源の製造方法によれば、それぞれの膜厚が１５μｍになる２層の乾燥膜が重ねて印刷されるため、逆テーパーの勾配が、実施の形態１の電子放出源の製造方法における逆テーパーの勾配より大きくなる。

膜厚１５μｍである一層目のペーストが、スクリーン印刷される。その後、１層目のペーストが熱風炉内において１５０℃の温度で３０分間乾燥される。それにより、１層目のペースト内の溶剤が蒸発する。その結果、ペーストが固化し、１層目の乾燥膜が形成される。

その後、膜厚が１５μｍである２層目のペーストがスクリーン印刷される。その後、２層目のペーストが、熱風炉内において１５０℃の温度で３０分間、乾燥される。それにより、２層目のペースト内の溶剤が蒸発する。その結果、ペーストが固化し、２層目の乾燥膜が形成される。その結果、膜厚が３０μｍである２層からなる乾燥膜が形成される。

２層からなる乾燥膜は、両主表面から１５μｍの位置に界面を有する。そのため、ガラス基板１に近い位置においては、界面に比較して、露光時に露光光が減衰する。その結果、ガラス基板１に近いほど開口部の幅が大きくなる。本実施の形態の２層からなる乾燥膜からなる絶縁層の開口部がガラス基板１へ向かって広がる度合いは、実施の形態１の開口部３ａがガラス基板１へ向かって広がる度合いよりも大きい。

（実施の形態３）
実施の形態１においては、ゲート電極層としてスパッタによって形成された金属薄膜が用いられているが、金属薄膜の代わりに金属電極層が用いられてもよい。これによれば、電子放出材料の上に樹脂などを形成する必要がない。そのため、電子放出材料の表面の汚染を防止することができる。その結果、良好な電子放出特性を得ることが可能になる。

また、電子放出材料の表面が、電子放出材料の焼結によって絶縁層の表面よりも低く位置付けられる。そのため、金属電極層が絶縁層の表面に接するように設置されれば、金属電極層と電子放出材料との間に隙間が形成される。また、電子放出材料と絶縁層との間に距離が十分に大きければ、電子放出材料と金属電極との間の耐電圧は充分なものになる。

以下では、本実施の形態の電子放出源の製造方法が、実施の形態１の電子放出源の製造方法との比較しながら詳細に説明される。

本実施の形態の電子放出源の製造方法においては、まず、実施の形態１の工程１から工程７までの工程が実行される。工程１〜工程７の説明は、ここでは、繰り返さない。

工程８：導電性メッシュ電極としての金属電極層の設置（図１４参照）
次に、絶縁層３上にゲート電極層となる導電層の一例の金属電極層９が形成される。本実施の形態において使用される金属電極層９およびそれに対応する電子放出材料４が、図１４に示されている。金属電極層９には複数の電子放出用開口部９ａが形成されている。電子放出用開口部９ａのそれぞれは、平面的に見て、電子放出材料４のサイズよりも小さなサイズを有している。つまり、金属電極層９は、複数の貫通孔を有する導電性メッシュ電極層である。そのため、ゲート電極層による電子ビームの収束および偏向作用が画素ごとに発生することはない。その結果、金属電極層９の設置のために、高い精度で位置合わせを行なう必要がない。

図１５においては、比較的短い金属電極層９が２本示されている。しかしながら、実際のデバイスにおいては、表示領域の横幅に相当する長さの短冊状電極が、ゲートラインの本数分並んで配置されることが必要である。そのため、金属電極層９の長手方向に沿ってゲートラインにテンションをかけながら、金属電極層９の位置合わせが行なわれる。また、短冊状の金属電極層９が並んで繋がった状態で設置された後、短冊状の金属電極層９同士が接続されている部分が、レーザカット等によって切断されてもよい。

この後、良好な電界電子放出特性を得るために、図１６に示されるように、電子放出用開口部１１を介して、レーザ光が電子放出材料４に照射されてもよい。これにより、表面活性化処理が電子放出材料１２に施される。この表面活性化処理は実施の形態１において説明された処理と同様の処理であるため、ここではその詳細な説明は繰り返されない。

（実施の形態４）
実施の形態１の電子放出源の製造方法におけるゲート電極層のパターニング方法においては、金属薄膜がスパッタによって形成され、かつ、犠牲層である樹脂の熱分解によってゲート電極層としては不要な部分の金属薄膜が除去される。

一方、本実施の形態の電子放出源の製造方法においては、絶縁層上にのみゲート電極層のための材料が形成される方法が採用される。電子放出材料が焼結された後においては、絶縁層の表面が最も高く位置付けられている。そのため、導電体含有ペーストが転写ローラー上に塗布され、転写ローラーが転がされれば、絶縁層の上面にのみ導電体ペーストが転写される。

以下、本実施の形態の電子放出源の製造方法が具体的に説明される。
本実施の形態の電子放出源の製造方法においては、ゲート電極層の形成工程において、電子放出材料上に樹脂などの材料が形成される必要がない。そのため、電子放出材料の特性を劣化させることがない。さらに、ゲート電極層は、絶縁層の平面形状に一致するような平面形状に、自己整合的に形成される。そのため、絶縁層とゲート電極層との位置合わせ（アライメント）誤差が発生しない。

以下、図１７〜図３６を参照しながら、本実施の形態の電子放出源の製造方法が説明される。

工程１：カソード層２の形成（図１７および１８参照）
まず、ガラス基板１の上面上に透明導電膜が形成される。透明導電膜としては、たとえばＩＴＯ膜が用いられる。ＩＴＯ膜は、カソード層２となる膜である。ＩＴＯ膜は、スパッタによって形成される。ＴＩＯ膜の膜厚は、たとえば０．３μｍである。その後、フォトリソグラフィ等の方法を用いて、ＩＴＯ膜がパターニングされ、カソード層２がライン状に形成される。

また、ここで挙げたフォトリソグラフィとは、半導体製造技術において、光または電子線等を利用して基板上にパターンを転写する写真製版のことを意味する。このフォトリソグラフィは、レジストの塗布、露光、エッチング、および、レジストの除去等様々な工程を含んでいるが、一般的な工程であるため、ここでは一つの工程として説明される。

工程２：第１絶縁層２１の形成（図１９および図２０参照）
ガラス基板１のほぼ全面上に、カソード層２を覆うように、たとえば感光性ガラスペーストがスクリーン印刷によって形成される。その後、１５０℃で３０分間、乾燥工程が実行される。それにより、膜厚が５μｍである乾燥膜が得られる。乾燥膜の膜厚は、ペーストの粘度、固形分比、スクリーン版のメッシュワイヤ径、および乳剤厚等によって決定される。そのため、乾燥膜の膜厚が所望の値になるように、ペーストの粘度、固形分比、スクリーン版のメッシュワイヤ径、および乳剤厚などが調整される。また、本実施の形態においては、膜厚が５μｍである乾燥膜が形成されるが、カソード層２とゲート電極層との間の絶縁性を確保することができる乾燥膜であれば、膜厚はその値に限定されず、いかなる値であってもよい。この乾燥膜が第１絶縁層２１となる。

その後、第１絶縁層２１に、リソグラフィの方法を用いて、ストライプ状の開口部２１ａが形成される。ストライプ状の開口部２１ａはストライプ状のカソード層２と直交するように配置される。その後、第１絶縁層２１を構成するガラス材料の軟化点より高い温度である５５０℃まで第１絶縁層２１の温度が上昇させられる。それにより、第１絶縁層２１を構成するガラス材料が軟化する。その後、第１絶縁層２１が室温まで冷却され、均質な第１絶縁層２１が形成される。

工程３：第２絶縁層３の形成（図２１および図２２参照）
ガラス基板１のほぼ全面上に、カソード層２および第１絶縁層２１を覆うように、たとえば感光性ガラスペーストがスクリーン印刷によって形成される。その後、１５０℃の温度で３０分間、乾燥工程が実行され、膜厚が３０μｍである乾燥膜が得られる。この乾燥膜の膜厚も、ペーストの粘度、固形分比、スクリーン版のメッシュワイヤ径、および乳剤厚等を考慮して決定される。そのため、ペーストの粘度、固形分比、スクリーン版のメッシュワイヤ径、および乳剤厚等が、所望の膜厚の乾燥膜が得られるように調整される。また、本実施の形態においては、膜厚が３０μｍである乾燥膜が説明されているが、後述される焼成工程を経て絶縁層と電子放出材料との分離が生じさえすれば、乾燥膜の膜厚は、３０μｍに限ったものではない。

次に、感光性ガラスペーストからなる絶縁層３に、フォトリソグラフィの方法を用いて、開口部３ａおよび３ｂが形成される。本実施の形態においては、感光性ガラスペーストはネガ型であり、露光された部分は、光硬化し、現像後に膜が残存する部分である。開口部３ａおよび３ｂのそれぞれの断面形状においては、図２１および図２２に示されるように、カソード層２の上面における径または幅よりも絶縁層３の上面における径または幅が小さい。すなわち、開口部３ａおよび３ｂは、いわゆる逆テーパー形状を有している。

開口部３ａは、ストライプ状の開口部同士の間に位置する楕円形の貫通孔であり、開口部３ｂは、ストライプ状のスリットである。ストライプ状の開口部３ｂは、平面的に見て、ストライプ状のカソード層２と直交し、かつ、第１絶縁層２１のストライプ状の開口部２１ａと重ならない。また、開口部３ａは、画素に対応するものであり、平面的に見て、第１絶縁層２１のストライプ状の開口部２１ａに内包される。

工程４：第２絶縁層３の焼成（図２３および図２４参照）
次に、感光性ガラスペースト内に含有される樹脂成分、主にエチルセルロースが、大気雰囲気中で３５０℃の温度で焼成される。それにより、エチルセルロースは焼失する。その後、ガラスペースト中のガラスの軟化点より高い温度である５５０℃まで感光性ガラスペーストが熱せられる。それにより、ガラスペースト中のガラスが軟化する。その後、ガラスペーストは、室温まで冷却される。その結果、均質な絶縁層３が得られる。このとき、絶縁層３に関しては、エチルセルロースの焼失に起因した体積収縮によって、膜厚が１２μｍ程度まで減少し、パターン形状が縮小される。この膜厚の減少およびパターン形状の縮小の程度は、感光性ガラスペースト中のエチルセルロースの含有率および焼成温度に依存する。

工程５：電子放出材料の形成（図２５および図２６参照）
本実施の形態においては、電子放出材料として、カーボンナノチューブを含有したペーストが、スクリーン印刷によって、開口部２１ａ，３ａ，３ｂ内に埋め込まれるとともに、第２絶縁層３上に形成される。カーボンナノチューブペーストは、カーボンナノチューブの他にエチルセルロースおよびターピネオールなどを含有している。また、ペーストは、鉛ガラス微粒子、銀微粒子、またはニッケル微粒子を含有してもよい。

カーボンナノチューブ膜が印刷された後の膜厚は、刷ペーストの粘度、固形分比、スクリーン版のメッシュワイヤ径、および乳剤厚等によって決定される。そのため、ペーストの粘度、固形分比、スクリーン版のメッシュワイヤ径、および乳剤厚などが、印刷膜が所望の膜厚になるように、調整される。また、１回の印刷のみでは、印刷されたカーボンナノチューブ膜の膜厚が所望の大きさより小さい場合には、印刷されたカーボンナノチューブ膜が乾燥された後に、２層目以降のカーボナノチューブ膜が重ねて印刷され、全体として所望の膜厚を有する印刷膜が形成されてもよい。

工程６：電子放出材料の研磨工程（図２７および図２８参照）
本工程においては、絶縁層３の開口部３ａおよび３ｂが設けられている領域以外の領域に形成された電子放出材料４が研磨によって除去される。すなわち、第２絶縁層３上の電子放出材料４が研磨によって除去される。研磨のために回転ベルト形式自動研磨機が使用される。その研磨機においては、＃１０００番の研磨テープがゴムローラーに巻き付けられている。研磨時には、研磨テープが電子放出材料４に圧着され、電子放出材料４上に水を流しながら、研磨テープが、ゴムローラーとともに回転させられる。この研磨機を使用することによって、研磨面が平坦に仕上げられる。そのため、絶縁層３上の電子放出材料は、全て除去され、開口部３ａおよび３ｂ内に埋め込まれた電子放出材料４の表面は、周囲の絶縁層３の表面と同じ高さに位置付けられる。

この工程においては、工程５の説明で述べられたように、電子放出材料４、すなわちカーボンナノチューブ膜の膜厚は、周囲の絶縁層３の膜厚よりも大きい。そのため、研磨時に開口部３ａ内のカーボンナノチューブ膜の表面も研磨される。その結果、開口部３ａのカーボンナノチューブ膜の表面と周囲の絶縁層の表面とが同一平面内に位置付けられる。

工程７：電子放出材料膜の焼成（図２９および図３０参照）
電子放出材料４の一例としてのカーボンナノチューブ膜内に含有される樹脂成分、主にはエチルセルロースが、大気雰囲気中で、３５０℃の温度で焼成される。それにより、エチルセルロースは焼失する。また、樹脂成分は、５５０℃の温度で熱処理され、その後、室温まで冷却される。これにより、カーボンナノチューブ膜中の樹脂が焼失する。そのため、カーボンナノチューブ膜の体積は小さくなる。そのため、図２９および図３０に示されるように、カーボンナノチューブ膜の膜厚が減少する。その結果、周囲の絶縁層３の上面よりも低い位置にカーボンナノチューブ膜の上面が位置付けられる。一方、カーボンナノチューブ膜は、面内方向にも収縮する。そのため、カーボンナノチューブ膜と第１絶縁層２１および第２絶縁層３とは面内方向において分離される。さらに、絶縁層は５５０℃の雰囲気中で軟化する。それにより、絶縁層３に表面張力が生じる。前述の処理によって、カソード電極層２上に位置する電子放出材料４を内包する開口部３００が形成される。開口部３００は、平面形状が楕円形の貫通孔である。また、絶縁層２１上に位置する電子放出材料４を挟む開口部３０００が形成される。開口部３０００はスリット形状を有している。

その結果、逆テーパー形状からガラス基板１の主表面に対して垂直な方向に延びる貫通孔３００が形成される。その結果、絶縁層３の側面とカーボンナノチューブ膜すなわち電子放出材料４との分離を促進することができる。

ここで、第２絶縁層３から分離された電子放出材料４は、位置に応じて２種類の役割を果たす。図２９および図３０に示されるように、開口部３００内の電子放出材料４はカソード層２に接触しており、平面形状が楕円形であり、画素に対応して配置されている。一方、開口部３０００内の電子放出材料４は、カソード層２に接触していない。そのため、電子放出材料４は電子を放出しない。開口部３０００内の電子放出材料４は、ストライプ状であり、ストライプ形状のゲート電極層を分離する役割を果たす。

工程８：ゲート電極層２２の形成（図３１および図３２参照）
本実施の形態においては、導電体含有ペーストとして、銀微粒子が含有されたペーストが使用されている。銀含有ペーストが転写ローラー上に塗布され、転写ローラーが第２絶縁層３上を転がる。それにより、最も高く位置付けられた第二絶縁層３の上面のみに導電膜が転写される。その後、焼成工程が実行され、銀含有ペーストに含有されている樹脂成分が消失する。その結果、銀からなる連続膜が形成される。その連続膜がゲート電極層２２となる。

この後、良好な電界電子放出を得るために、ゲート電極層２２を介して、レーザ照射による表面活性化処理が実行される。この表面活性化処理は、実施の形態１において説明された表面活性化処理と同様であるため、本実施の形態においては、その説明は繰り返されない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態１の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態１の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態１の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態１の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態１の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態１の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態１の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態１の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態１の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態１の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態１の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態１の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態３の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態３の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態３の電子放出源の製造工程を説明するための断面図である。 実施の形態４の電子放出源の製造工程を説明するための上面図である。 図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線断面図である。 実施の形態４の電子放出源の製造工程を説明するための上面図である。 図１９のＸＸ−ＸＸ線断面図である。 実施の形態４の電子放出源の製造工程を説明するための上面図である。 図２１のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線断面図である。 実施の形態４の電子放出源の製造工程を説明するための上面図である。 図２３のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ線断面図である。 実施の形態４の電子放出源の製造工程を説明するための上面図である。 図２５のＸＸＶＩ−ＸＸＶＩ線断面図である。 実施の形態４の電子放出源の製造工程を説明するための上面図である。 図２７のＸＸＶＩＩＩ−ＸＸＶＩＩＩ線断面図である。 実施の形態４の電子放出源の製造工程を説明するための上面図である。 図２９のＸＸＸ−ＸＸＸ線断面図である。 実施の形態４の電子放出源の製造工程を説明するための上面図である。 図３１のＸＸＸＩＩ−ＸＸＸＩＩ線断面図である。

符号の説明

１ ガラス基板、２ カソード層、３ 絶縁層、４ 電子放出材料、５ 樹脂層、６ 金属薄膜、７ ピンホールを多数含んだ金属薄膜、８ レーザ光、９ 金属電極層、１２ 電子放出材料、２１ 絶縁層、２２ ゲート電極層。

Claims (9)

1. 基板上にカソード層を形成するステップと、
   前記カソード層上に絶縁層を形成するステップと、
   前記絶縁層に開口部を形成するステップと、
   前記開口部内に電子放出材料を形成するステップと、
   前記電子放出材料を焼結して前記絶縁層と前記電子放出材料との間に空隙を形成するステップとを備えた、電子放出源の製造方法。
2. 前記電子放出材料を形成するステップは、
   前記開口部に電子放出材料を充填するステップと、
   前記電子放出材料を乾燥させるステップと、
   前記絶縁層上の前記電子放出材料を研磨によって除去するとともに、前記絶縁層および前記電子放出材料の上面を平坦化するステップとを含む、請求項１に記載の電子放出源の製造方法。
3. 前記絶縁層を形成するステップにおいては、前記絶縁層が原材料のペーストの印刷および乾燥の繰り返しによって形成される、請求項１に記載の電子放出源の製造方法。
4. 前記電子放出材料が、カーボンナノチューブを含む、請求項１に記載の電子放出源の製造方法。
5. 前記絶縁層上にゲート電極層を形成するステップをさらに備え、
   前記ゲート電極層を形成するステップは、
   前記絶縁層と前記電子放出材料との間の空隙に樹脂を充填するステップと、
   前記樹脂を乾燥させるステップと、
   前記絶縁層上の前記樹脂を研磨によって除去し、前記絶縁層および前記樹脂の上面を平坦化するステップと、
   平坦化された前記絶縁層および前記樹脂上の上面に導電性膜を形成するステップと、
   前記樹脂を熱処理によって分解させるステップと、
   前記樹脂上に形成されていた導電性膜を除去するステップとを含む、請求項１に記載の電子放出源の製造方法。
6. 前記導電性膜を除去するステップにおいては、前記導電性膜に粘着テープが貼り付けられ、その後、前記粘着テープが前記導電性膜とともに引き剥がされる、請求項５に記載の電子放出源の製造方法。
7. 前記絶縁層上にゲート電極層を形成するステップをさらに備え、
   前記ゲート電極層を形成するステップにおいては、前記所定の形状にパターニングされた導電性メッシュ電極層が、前記絶縁層上に貼り付けられる、請求項１に記載の電子放出源の製造方法。
8. 前記ゲート電極層を形成するステップをさらに備え、
   前記ゲート電極層を形成するステップは、前記絶縁層上にのみ導電体含有ペーストをローラによって塗布するステップを含む、請求項１に記載の電子放出源の製造方法。
9. 前記絶縁層を形成するステップは、
   画素に対応する第１貫通孔を有する第１の絶縁層を形成するステップと、
   前記第１の絶縁層の第１貫通孔に対応する位置に前記第１貫通孔と同一の形状の第２貫通孔を有する第２の絶縁層を形成するステップとを含む、請求項１に記載の電子放出源の製造方法。

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