JP3594850B2 - 冷陰極の製造方法 - Google Patents
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【産業上の利用分野】
本発明は、冷陰極ランプ、蛍光表示管、液晶デバイス用のバックライト、フィールドエミッションディスプレイ等に用いられる冷陰極及びその製造方法に関し、詳しくは、電界放出電子源を用いた冷陰極及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
強電界を印加することで冷電子を放出する冷陰極に関する研究がデバイス面、材料面の両面において、研究、開発が行われている。材料面においては、近年、円筒状に巻いたグラファイト層が入れ子状になったカーボンナノチューブ(CNT)が発見され(S.Iijima,Nature,354,56.1991)、様々な電子デバイスとしての応用が期待されている。
【0003】
例えば、このようなCNTを用いたデバイスとしては、図6に示すような構造のものが知られている(特開平10−12124号公報参照)。すなわち、ガラス基板100上にアルミニウム層101を介してアルミナの陽極酸化皮膜102を有し、この陽極酸化皮膜102の細孔103中にCVD法(Chemical vapor deposition:化学気相成長法)でCNTを選択成長させることで、3極管構成となる電界放出電子源104を形成している
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
図6に示すような冷陰極は、電界放出電子源104の密度が陽極酸化皮膜102の密度で決定され、その密度が高くなると電界放出電子源104の先端部での電界集中を弱くしてしまい、そのため高駆動電圧を要するという問題がある。また、ゲート絶縁層(陽極酸化皮膜102)は、アルミナ等の陽極酸化可能な材料に限定されてしまうという問題もある。
【0005】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、電界放出電子源を用い、低駆動電圧化が可能であり、かつXYアドレス可能な冷陰極及びその製造方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の冷陰極製造方法は、支持基板にカソード電極を形成する工程と、前記カソード電極上にゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層にナノサイズの細孔を高エネルギーイオン照射を用いて形成する工程と、電界放出電子源を形成するために前記細孔にカーボンナノチューブからなる電子放出材料を充填する工程と、前記電界放出電子源の上層にキャップを形成する工程と、前記キャップをマスクとしてゲート電極を形成する工程と、前記キャップをリフトオフする工程と、前記電界放出電子源周辺のゲート絶縁層を除去する工程とを含む製造方法である。
【0010】
また、本発明の冷陰極製造方法は、支持基板にカソード電極を形成する工程と、前記カソード電極上にゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層上にゲート電極を堆積する工程と、前記ゲート電極上に保護層を形成する工程と、前記保護層と前記ゲート電極と前記ゲート絶縁層とにナノサイズの細孔を高エネルギーイオン照射を用いて形成する工程と、前記保護層に形成した細孔を拡張する工程と、前記細孔にカーボンナノチューブからなる電子放出材料を充填する工程と、前記保護層に充填した電子放出材料を除去して電界放出電子源を形成する工程と、前記ゲート電極を一部除去する工程と、前記保護層を剥離する工程と、前記電界放出電子源周辺のゲート絶縁層を除去する工程とを含む製造方法である。これにより、電界放出電子源上のキャップの形成が不要になり、工程削減が可能となる。
【0011】
また、前記ゲート絶縁層を形成する工程は、該ゲート絶縁層の表面を平坦化する平坦化工程を含むことで、ゲート電極の均一化が可能となる。
また、前記細孔を形成する工程は、高エネルギーイオン照射によることで、電界放出電子源の密度を1×1010個/cm2以下に制御可能である。
また、前記細孔に電子放出材料を充填する工程は、金属触媒を用いたCVD法による選択成長によることで、金属触媒とプラズマアシストで微小電界放出電子源の成長温度を低減することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の第1実施の形態による冷陰極の構成を示す斜視図である。冷陰極Aは、微小な電界放出電子源を用いた冷陰極であり、特にフィールドエミッションディスプレイの斜視図を示している。
【0013】
絶縁性の支持基板1上にライン状のカソード電極2が形成され、炭素化合物からなる微小な電界放出電子源6が画素(電子放出領域)11に多数集積される。この画素11はカソード電極2と同じくライン状のゲート電極9との直交する位置に配設されている。カソード電極2とゲート電極9はゲート絶縁層3により電気的に絶縁されている。前記冷陰極Aと対向するように、蛍光体13が被着した透明なアノード電極12が配設される。
【0014】
このよう構成の冷陰極で電界放出実験を行った。ゲート電極9の電圧を20〜30V、アノード電極12の電圧を5KV、カソード電極2を接地すると、ナノチューブの電界放出電子源6から5〜10mV/cm2 程度の電子が放出され、対向して配設された蛍光体13が発光した。蛍光体13としてRGBを配設すると、カラー表示が可能となり、輝度は100〜200cd/m2 程度のものが得られる。
【0015】
図1では、特に冷陰極Aをフィールドエミッションディスプレイに適用した例を示しているが、フィールドエミッションディスプレイと、冷陰極ランプ、蛍光表示管、液晶デバイス用のバックライト等は、ゲート電極とカソード電極の形状が異なるが基本構成は同一である。すなわち、冷陰極ランプはゲート電極、カソード電極の加工が不要である。蛍光表示管はセグメントに対応したゲート電極形状、カソード電極の引き出し配線を配設する。液晶デバイス用のバックライトはゲート電極、カソード電極をライン状に加工して配設する。フィールドエミッションディスプレイはゲート電極、カソード電極をライン状に加工すると共に、お互いに直交するように配設すればよい。
【0016】
図2及び図3は、第1実施の形態の冷陰極製造方法の工程断面図である。
まず、図2(a)において、アルミナとシリカからなる絶縁性の支持基板1にカソード電極2を形成する。支持基板1は融点が800℃程度のものが好ましい。カソード電極2はニッケルまたはニッケル合金、コバルト、鉄等の金属触媒を用い、スクリーン印刷でパターニングする。
【0017】
カソード電極2上に絶縁材料、すなわちゲート絶縁層3を堆積する。ゲート絶縁層3としては、二酸化ケイ素が好適に使用されるが、後述の電界放出電子源6として用いる炭素化合物の成長温度以下で絶縁材料であれば二酸化ケイ素に限定されない。ゲート絶縁層3の表面は研磨して平坦化することで、後述のゲート電極9の均一化が可能となる。
【0018】
次に、図2(b)において、ゲート絶縁層3に細孔5を形成する。細孔5の形成は、例えばアルゴン又はクリプトン等のイオン4を注入し、ダメージ層を形成することにより行われる(イオンを高エネルギーで注入し、微細なホールを形成する技術は、例えば特表平9−504900号公報に開示されている)。このような高エネルギーイオン注入法を用いると、図2(b)のように、ゲート絶縁層3中に細孔5を形成できる。また、次に説明する電界放出電子源6の密度を1×1010個/cm2以下に制御可能である。
【0019】
次に、図2(c)において、ゲート絶縁層3中に形成した細孔5に炭素化合物からなる微小な電界放出電子源6を形成する。電界放出電子源6に用いる炭素化合物としては、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、ダイアモンドライクカーボン、グラファイト、フラーレン、ボロンナイトライドチューブが挙げられる。これにより、耐イオン衝撃が強く、10−6Torr程度の真空度でも動作可能となる。本実施の形態においては、カーボンナノチューブについて説明する。
【0020】
カーボンナノチューブを細孔5に形成するには、プラズマアシストしたCVD法を用いる。カーボンナノチューブはカソード電極2として用いたニッケル上で500〜800℃程度で十分に成長する。なお、細孔5はカソード電極2上以外の領域にも形成されているが、金属触媒として作用するニッケルが存在しないため、500〜800℃ではカーボンナノチューブは成長しない。したがって、図2(c)に示すように、カソード電極2上にのみ選択的に電界放出電子源6が形成される。
【0021】
次に、図3(d)において、電界放出電子源6上に金属材料からなるキャップ8を形成する。キャップ8はカソード電極2と対向電極(図示せず)を用い、電解溶液中で電解メッキで形成する。
次に、図3(e)において、ゲート電極9を堆積し、ライン状にパターニングする。ゲート電極材料はゲート絶縁層3上及びキャップ8上に堆積され、フォトリソグラフィ及びエッチングでゲート電極9を前記カソード電極2と直交する方向にパターニングする。
【0022】
最後に、図3(f)において、キャップ8をリフトオフする。キャップ8のリフトオフは、電界放出電子源6、ゲート絶縁層3及びゲート電極9に対してエッチング選択比の高いエッチング剤を用いることにより行われる。さらに、電界放出電子源6及びゲート電極9に対してエッチング選択比が高いエッチング剤を用いてゲート絶縁層3をエッチング除去すると、電界放出電子源6の周辺のゲート絶縁層3が除去されて凹部10が形成される。なお、このような凹部10の形成は電界放出電子源6とゲート電極9の短絡防止の点で好ましい工程であるが、この工程は省略してキャップ8のリフトオフのみとすることも可能である。このようにして、図1及び図3(f)に示すような冷陰極Aが完成する。
【0023】
図4及び図5は、第2実施の形態の冷陰極製造方法の工程断面図である。第2実施の形態は第1実施の形態とは異なる製造方法を採用したものであり、製造完了後の構造は図1のものと同じである。第1実施の形態では、ゲート絶縁層3に高エネルギーイオン注入を行ったのに対して、第2実施の形態では、ゲート絶縁層3のほかゲート電極9にも高エネルギーイオン注入を行う。高エネルギーイオン注入のイオン注入エネルギーが大きくなるものの、電界放出電子源6上のキャップ8の形成が不要になり、工程削減が可能となる。
【0024】
まず、図4(a)において、第1実施の形態と同様に支持基板1上に、カソード電極2とゲート絶縁層3を形成する。次に、図4(b)において、ゲート電極9をゲート絶縁層3上に形成し、所望の形状にパターニングする。
次に、図4(c)において、イオン注入保護層15をゲート電極9上に形成し、高エネルギーイオン14の注入法でゲート電極9及びゲート絶縁層3中に細孔5を形成する。このイオン注入保護層15は、耐熱性でありゲート電極9に対するエッチング選択比が高いことが必要で、例えば二酸化シリコンが用いられる。
【0025】
次に、図5(d)において、イオン注入保護層15を選択的にエッチング除去し、イオン注入保護層15に細孔径が拡大した開口部5aを形成する。さらに、第1実施の形態と同様に、カソード電極2上の細孔5に対して炭素化合物からなる電界放出電子源6を選択的に成長させる。イオン注入保護層15における開口部5aにも炭素化合物6aが成長する。なお、カソード電極2以外の領域の細孔5には炭素化合物は成長しない。
【0026】
次に、図5(e)において、イオン注入保護層15中の炭素化合物、すなわち、開口部5a内の炭素化合物6aを除去し、さらにその直下のゲート電極9を一部除去して凹部17を形成する。すなわち、酸素プラズマエッチング法を用い、イオン注入保護層15中の炭素化合物6aを除去し、続いてその領域直下のゲート電極9を除去して凹部17を形成する。
【0027】
最後に、ゲート電極9をエッチングマスクとし、ゲート絶縁層3の一部をエッチング除去した凹部18を形成し、次いでイオン注入保護層15を剥離すると、図1及び図5(f)に示すような冷陰極Aが完成する。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
融点が1000℃以上のゲート絶縁層を用いることにより、冷陰極製造過程でゲート絶縁層が劣化しないようにすることができる。
【0028】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明の冷陰極によれば、微小電界放出電子源を分割配設することが可能であると共に、ゲート電極とカソード電極を独立に形成可能であるので、XYアドレスが可能となる。
また、本発明の冷陰極製造方法によれば、カソード電極とゲート電極とが重なる位置に電界放出電子源を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施の形態による冷陰極の構成を示す斜視図である。
【図2】第1実施の形態の冷陰極製造方法の工程断面図(その1)である。
【図3】第1実施の形態の冷陰極製造方法の工程断面図(その2)である。
【図4】第2実施の形態の冷陰極製造方法の工程断面図(その1)である。
【図5】第2実施の形態の冷陰極製造方法の工程断面図(その2)である。
【図6】従来の冷陰極の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1 支持基板
2 カソード電極
3 ゲート絶縁層
4 イオン
5 細孔
6 電界放出電子源
8 キャップ
9 ゲート電極
15 イオン注入保護層
Claims (4)
- 支持基板にカソード電極を形成する工程と、前記カソード電極上にゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層にナノサイズスケールの細孔を高エネルギーイオン照射を用いて形成する工程と、電界放出電子源を形成するために前記細孔にカーボンナノチューブからなる電子放出材料を充填する工程と、前記電界放出電子源の上層にキャップを形成する工程と、前記キャップをマスクとしてゲート電極を形成する工程と、前記キャップをリフトオフする工程と、前記電界放出電子源周辺のゲート絶縁層を除去する工程とを含むことを特徴とする冷陰極製造方法。
- 支持基板にカソード電極を形成する工程と、前記カソード電極上にゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層上にゲート電極を堆積する工程と、前記ゲート電極上に保護層を形成する工程と、前記保護層と前記ゲート電極と前記ゲート絶縁層とにナノサイズスケールの細孔を高エネルギーイオン照射を用いて形成する工程と、前記保護層に形成した細孔を拡張する工程と、前記細孔にカーボンナノチューブからなる電子放出材料を充填する工程と、前記保護層に充填した電子放出材料を除去して電界放出電子源を形成する工程と、前記ゲート電極を一部除去する工程と、前記保護層を剥離する工程と、前記電界放出電子源周辺のゲート絶縁層を除去する工程とを含むことを特徴とする冷陰極製造方法。
- 前記ゲート絶縁層を形成する工程は、該ゲート絶縁層の表面を平坦化する平坦化工程を含むことを特徴とする請求項1又は2記載の冷陰極製造方法。
- 前記細孔に電子放出材料を充填する工程は、金属触媒を用いたCVD法による選択成長によることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の冷陰極製造方法。
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