JP2950380B2

JP2950380B2 - 電界放出素子の製造方法

Info

Publication number: JP2950380B2
Application number: JP32251590A
Authority: JP
Inventors: 茂生伊藤; 辰雄山浦; 行雄小川; 照男渡辺
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1990-11-28
Filing date: 1990-11-28
Publication date: 1999-09-20
Anticipated expiration: 2014-09-20
Also published as: JPH04196026A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、絶縁層のホール内にコーン形状のエミッタ
を有するいわゆるスピント型の電界放出素子の製造方法
に係り、特に絶縁層にホールを量産的に製造する方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

スピント型の電界放出素子の従来の製造方法について
図５を用いて説明する。

図５（ａ）に示すように、絶縁基板100上に、カソー
ド電極101と、絶縁層102と、ゲート電極層103を積層被
着する。

その上にレジストを被着し、例えば１μｍ径程度のゲ
ートパターンの露光を光露光又は電子ビーム露光により
順次行う。その後、露光部のレジストを除去し、さらに
ゲート電極層103と絶縁層102をエッチングし、図５
（ｂ）に示すようにゲート104及びホール105を形成す
る。

レジスト除去後、絶縁基板100を同一平面内で回転さ
せながら斜め上方から同基板の表面にAl106を蒸着し、
図５（ｃ）に示すようにゲート104の開口部を狭くする
とともに、剥離層を形成する。

図５（ｄ）に示すように、基板に対して垂直上方から
エミッタ材料107を蒸着させ、ホール105内にコーン形状
のエミッタ108を形成する。

図５（ｅ）に示すように、斜め蒸着させたAl106と不
要なエミッタ材料107を除去する。

〔発明が解決しようとする課題〕

ゲート104の開口部及びホール105をエッチングで形成
するため、従来はレジストにゲートパターンの露光を行
っていたが、従来の露光装置は基板をミクロン単位で正
確に送り、小面積を露光しながら全面を走査するもので
あった。このため、ゲートパターンの形状及び間隔はき
わめて正確になるものの、一回の露光面積が小さいため
に基板の全面にゲートパターンを露光するのには相当の
時間がかかり、小面積の基板にしか利用できなかった。
即ち、近年ますます大面積化しつつあるディスプレイ装
置用基板等に対しては量産性が良くないという問題があ
った。

また、図５（ｃ）に示したようなAlの斜め蒸着の蒸着
効率は大面積化には極めて悪く、ディスプレイ装置用基
板のようにかなり広い面積に対して斜め方向からの蒸着
を行なうと、ゲートの開口部の位置によって蒸着状態に
違いが生じてしまう。このため、形成されるエミッタの
形状の均一性に問題が生じ、この点においても量産に適
していないという問題点があった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る電界放出素子の製造方法は、絶縁基板上
にカソード電極を形成する工程と、前記カソード電極を
含む絶縁基板上に絶縁層とゲート電極層を順次積層させ
て形成する工程と、前記ゲート電極層上にレジストと微
粒子からなるマスク層を形成する工程と、前記マスク層
に露光する工程と、前記マスク層から前記微粒子を除去
して前記レジストに微小孔を形成する工程と、前記微小
孔から前記ゲート電極層と前記絶縁層をエッチングして
ゲート電極とホールを形成する工程と、前記レジストを
除去する工程と、前記ゲート電極の表面に剥離層を形成
する工程と、前記ホール内に向けてエミッタ材料を蒸着
することによってホール内にエミッタを形成する工程
と、前記剥離層を除去することにより、この剥離層上に
被着したエミッタ材料を除去する工程とを有している。

また、本発明によれば、前記製造方法に用いる前記微
粒子をポリメチルメタクリレート（PMMA）のような有機
化合物で構成してもよい。

また本発明によれば、PMMA粒子を染色した光吸収性の
ものを前記微粒子として用いてもよい。

また、本発明によれば、光分解形のホトレジストを被
覆したPMMA粒子を前記微粒子として用いてもよい。

〔実施例〕

本発明に係る電界放出素子の製造方法の第１実施例を
図１によって説明する。

（１）図１（ａ）に示すように、ガラス等の絶縁基板１
の上面に約0.3μｍの厚さでAl層２を全面に蒸着し、さ
らに必要に応じて約0.4μｍの厚さでSnO₂からなる抵抗
層３を全面に蒸着する。そして、これをフォトリソグラ
フィ法によってストライプ状にしてカソード電極４を形
成する。

（２）図１（ｂ）に示すように、前記カソード電極４を
含む絶縁基板１上にSiO₂を１μｍの厚さに蒸着して絶縁
層５を形成する。さらに、その上にMoを0.5μｍの厚さ
に蒸着してゲート電極層６を形成する。

（３）図１（ｃ）に示すように、前記ゲート電極層６の
表面に、平均粒径が0.4μｍのポリメチルメタクリレー
ト（PMMA）粒子７を分散させる。この場合、PMMA粒子７
の表面を接触帯電させた状態でスプレー法等によって分
散させ、ゲート電極層６上で各PMMA粒子７どうしが接触
せずに適当な間隔があくようにする。

（４）図１（ｄ）に示すように、前記絶縁基板１の全体
を150℃に加熱する。これによって前記PMMA粒子７は軟
化して自重でつぶれ、その底面は点でなく面でゲート電
極層６と接するようになる。

（５）図１（ｅ）に示すように、前記PMMA粒子７を覆う
ように光架橋形レジスト８（以下、レジスト８と呼
ぶ。）をゲート電極層６上にスピンコート法で被着さ
せ、前記PMMA粒子７と共にゲート電極層６上にマスク層
９を形成する。そして、マスク層９の全面に紫外線を露
光して前記レジスト８を硬化させる。さらに、O₂プラズ
マアッシングによってPMMA粒子７の頂部のレジスト８の
みを選択的に焼却除去し、PMMA粒子７の頂部のみをレジ
スト８から露出させる。

（６）図１（ｆ）に示すように、レジスト８を溶かさず
にPMMA粒子のみを溶解する溶液を用いて現像し、PMMA粒
子７を除去する。これによってレジスト８には、適当な
間隔でほぼ一定の径の多数の微小孔10が広範囲にわたっ
て形成される。

（７）図１（ｇ）に示すように、前記微小孔10からゲー
ト電極層６と絶縁層５をそれぞれケミカルエッチングす
る。即ち、ゲート電極層６にはH₃PO₄＋HNO₃を用いてエ
ッチングを行い、１μｍ径位の開口部6aを形成する。ま
た、絶縁層５にはHFでサイドエッチングを行い、ゲート
電極層６の開口部6aより大きい径の空洞を形成してホー
ル11をつくる。

（８）ゲート電極層６上に残ったレジスト８を溶剤で除
去する。そして、露光したゲート電極層６の表面を熱で
酸化させ、0.2μｍ位の薄い酸化モリブデン（MnO₃）か
らなる剥離層12を形成する。

（９）次に、ゲート電極層６の上方から基板に対して垂
直下方に向けてエミッタ材料13のMoを蒸着し、前記ホー
ル11内にエミッタ14を形成する。図１（ｈ）に示すよう
に、ゲート電極層６上にエミッタ材料13が積もるにつれ
て開口部6a上方の孔は次第に小さくなり、これに伴って
ホール11内に入るエミッタ材料13の量も少なくなる。従
って開口部6aが塞がるまで蒸着を行うと、ホール11内に
はコーン形状のエミッタ14が形成される。

（10）前記剥離層12の酸化モリブデンは水溶性なの
で、図１（ｉ）に示すように、これを水で溶かして不要
なエミッタ材料13をゲート電極層６から剥離する。そし
て、ゲート電極層６上にホトレジストを被着し、フォト
リソグラフィ法によって前記カソード電極４と直交する
ストライプ状のパターンに加工し、ゲート電極15を形成
する。

以上のように製造された電界放出素子によればカソー
ド電極４とゲート電極15は互いに直交するストライプ状
であり、両電極はマトリクスを構成している。従って、
図示しないコレクタに所定の電位を与えるとともに、カ
ソード電極４とゲート電極15を適宜のタイミングで駆動
すれば、絶縁基板１上の所望の領域にあるエミッタ群を
選択して電子を放出させることができる。

図４は、このような電界放出素子16を用いた蛍光表示
装置を示している。前述したマトリクス状の電子放出部
が形成されている絶縁基板１の上方には、透光性を有す
る絶縁基板17が設けられている。該絶縁基板17の内面に
は、透光性の電極18に蛍光体19をベタ状に被着させた発
光表示部としてのコレクタ20が形成されている。両絶縁
基板1,17の外周は図示しない側面板で封止されており、
内部は高真空状態に排気されている。

以上の構成において、コレクタ20に所定の正電圧を与
えた状態で、電子放出部のカソード電極４とゲート電極
15を適宜に駆動すれば、マトリクス上の所望の位置にあ
るエミッタ群を駆動できる。そして、ベタ状の蛍光体19
のうち、駆動されたエミッタ群の上方にある所望の領域
に電子を射突させて発光させることができるので、文字
・図形等のグラフィック表示を行うことができる。この
表示は、透光性の電極18及び絶縁基板17を介して、該絶
縁基板17の外側から観察することができる。

次に、本発明に係る電界放出素子の製造方法の第２実
施例を図２によって説明する。

（１）図２（ａ）において、31は絶縁基板、34はAl層32
及び抵抗層33からなるカソード電極、35は絶縁層、36は
ゲート電極層であり、これらの材質及び製法等は第１実
施例と同じである。そして、前記ゲート電極層36の表面
に光架橋形レジスト37（レジスト37と呼ぶ。）を１μｍ
の厚さでスピンコートし、乾燥して溶剤を蒸発させる。

（２）0.6μｍ径のPMMA粒子38を赤黒等の染料溶液で染
色して着色し、紫外線を吸収するPMMA粒子39を形成す
る。これをレジスト37の上に接触帯電等により均一に分
散・被着させてマスク層40とする。そしてこれを加熱す
ると、粒子39とレジスト37は軟化し、図２（ｂ）に示す
ように粒子39の底部がレジスト37の中に入り込んで粒子
39とレジスト37が固着する。

（３）図２（ｃ）に示すように、PMMA粒子39の上方から
紫外線の平行光線を全面に露光する。前記染料で着色さ
れたPMMA粒子39の下には紫外線が届かないので当該部分
のレジスト37bは硬化しないが、他の部分のレジスト37a
は紫外線により硬化する。

（４）ここで現像を行うと、前記試料で着色されたPMMA
粒子39の下方にあるレジスト37bのみ溶解する。これに
よってレジスト37には、図２（ｄ）に示すように、適当
な間隔でほぼ0.6μｍ径の多数の微小孔41が広範囲にわ
たって形成される。微小孔41を形成した後、ポストベー
クを行なう。

（５）次に、図２（ｅ）に示すように、前記微小孔41か
らゲート電極層36をケミカルエッチングして開口部36a
を形成し、さらに絶縁層35をHF系のエッチング剤で処理
してホール42を形成する。

（６）図２（ｆ）に示すように、レジスト37を除去す
る。次に、第１実例と同様、図２（ｇ），（ｈ），
（ｉ）に示すようにゲート電極層36を酸化させて剥離層
43を形成した後、上方からエミッタ材料44を蒸着して各
ホール42内にエミッタ45を形成し、その後前記剥離層43
とともにゲート電極層36上の不要なエミッタ材料44を除
去する。

次に、本発明に係る電界放出素子の製造方法の第３実
施例を第３図によって説明する。

（１）図３（ａ）において、51は絶縁基板、54はAl層52
及び抵抗層53からなるカソード電極、55は絶縁層、56は
ゲート電極層であり、これらの材質及び製法等は第１実
施例と同じである。

（２）0.6μｍ径のPMMA粒子56に、光分解形のフォトレ
ジストを0.1μｍの厚さで被着する。図３（ｂ）に示す
ように、このPMMA粒子を接触帯電させた状態でスプレー
法によってゲート電極層56上に均一に分散する。

（３）前記絶縁基板51の全体を約150℃に加熱する。こ
れによってPMMA粒子57は軟化して自重でつぶれ、図３
（ｃ）に示すように底面が点でなく面でゲート電極層56
と接するようになる。その後、前記光分解形のフォトレ
ジストよりも表面張力が大きく、かつゲート電極層56よ
りも表面張力が小さい光架橋形レジスト58を、スピンコ
ートにより0.4μｍ厚でゲート電極層56上に被着する。

（４）図３（ｄ）に示すように全面に紫外線を露光し、
光架橋形レジスト58を硬化させるとともに、PMMA粒子57
の光分解形のフォトレジストを分解する。

（５）フォトレジストの剥離された前記PMMA粒子57を現
像液中で除去する。これによって、硬化した前記光架橋
形レジスト58上には、適当な間隔でほぼ0.6μｍ径の多
数の微小孔が広範囲にわたって形成される。

（６）図３（ｅ）に示すように、この微小孔からエッチ
ングを行ない、ゲート電極層56に開口部56aをあけると
ともに絶縁層55にはホール59を形成する。この後、図示
はしないが、第１及び第２実施例と同様に、ゲート電極
層56上に剥離層を形成し、上方からエミッタ材料を蒸着
して各ホール59内にエミッタを形成する。ゲート電極層
56上につもった不要なエミッタ材料は剥離層とともに除
去する。

〔発明の効果〕

本発明に係る電界放出素子の製造方法によれば、レジ
ストと微粒子からなるマスク層に露光した後、微粒子を
除去することにより、ゲート電極の開口部とホールを形
成する際の開口パターンとなる微小孔を形成している。
このような製造方法によれば、次のような効果がある。

（１）高解像度の電子ビーム露光装置や光露光装置を用
いなくても大面積基板においても正確で均一な孔径をも
つサブミクロンのゲート孔加工ができ、しかも表示装置
等に必要な大面積の電子源を量産性よく作製することが
できる。

（２）蒸着効率及び均一性に問題のあるAlの斜め蒸着を
行なわなくても、サブミクロンのゲート孔を大面積基板
上に量産性よく作製することができる。

（３）ゲート孔を広い面積の全面に一度に形成すること
ができるので、製造時間を従来よりも大幅に短縮するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

図１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），
（ｆ），（ｇ），（ｈ）及び（ｉ）は、それぞれ本発明
の第１実施例の各工程を示す図である。図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），
（ｆ），（ｇ），（ｈ）及び（ｉ）は、それぞれ本発明
の第２実施例の各工程を示す図である。図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）及び（ｅ）は、そ
れぞれ本発明の第３実施例の各工程を示す図である。図４は本発明の第１実施例によって得た電界放出素子を
応用した蛍光表示装置の図である。図５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）及び（ｅ）は、そ
れぞれ従来の電界放出素子の製造工程を示す図である。 1,31,51……絶縁基板、 4,34,54……カソード電極、 5,35,55……絶縁層、 6,36,56……ゲート電極層、 7,39,57……微粒子としてのポリメチルメタクリレート
粒子（PMMA粒子）、 8,37,58……レジスト、 9,40……マスク層、 10,41……微小孔、 11,42,59……ホール、 12,43……剥離層、 13,44……エミッタ材料、 14,45……エミッタ、 15,46……ゲート電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡辺照男千葉県茂原市大芝629 双葉電子工業株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01J 1/30 H01J 9/00 - 9/18 H01J 31/08 - 31/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板上にカソード電極を形成する工程
と、前記カソード電極を含む絶縁基板上に絶縁層とゲー
ト電極層を順次積層させて形成する工程と、前記ゲート
電極層上にレジストと微粒子からなるマスク層を形成す
る工程と、前記マスク層に露光する工程と、前記マスク
層から前記微粒子を除去して前記レジストに微小孔を形
成する工程と、前記微小孔から前記ゲート電極層と前記
絶縁層をエッチングしてゲート電極とホールを形成する
工程と、前記レジストを除去する工程と、前記ゲート電
極の表面に剥離層を形成する工程と、前記ホール内に向
けてエミッタ材料を蒸着することによってホール内にエ
ミッタを形成する工程と、前記剥離層を除去することに
より、この剥離層上に被着したエミッタ材料を除去する
工程とを有する電界放出素子の製造方法。
【請求項２】前記微粒子が有機化合物である請求項１記
載の電界放出素子の製造方法。
【請求項３】前記有機化合物がポリメチルメタクリレー
ト（PMMA）である請求項２記載の電界放出素子の製造方
法。
【請求項４】前記微粒子が、光吸収性の染料により染色
したPMMA粒子である請求項３記載の電界放出素子の製造
方法。
【請求項５】前記微粒子が、PMMA粒子に光分解形のホト
レジストを被覆したものである請求項３記載の電界放出
素子の製造方法。