JP3664052B2

JP3664052B2 - 薄膜電子源を用いた表示装置およびその製造方法

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Publication number: JP3664052B2
Application number: JP2000217213A
Authority: JP
Inventors: 雅一佐川; 敏明楠; 睦三鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2000-07-13
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2020-07-13
Also published as: JP2002033062A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示装置およびその製造方法に係わり、特に、平面型表示装置に適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＩＭ（Metal Insulator Metal）型トンネルダイオード構造の微小電子源、および上記ＭＩＭ型トンネルダイオード構造の微小電子源を用いる平面型表示装置は、例えば、下記文献（イ）に記載されている。
【０００３】
（イ）エスアイディー‘９７ダイジェスト、第１２３頁（M.Suzukiほか”Emission and Beam-Divergence Properties of an MIM-Cathode Array for Display Applications”,SID ’９７ DIGEST(1997) p.123）
上記文献（イ）に開示されているＭＩＭ型トンネルダイオード構造の微小電子源は、高効率・高指向性を特徴としている。また、トンネル絶縁膜の厚さは５．５ｎｍ、電子放出部となる上部電極は、ホットエレクトロンの散乱を避けるため６ｎｍと薄くなっており、単純マトリックスの規模は３０×３０画素で、走査線ならびに信号線（上部電極）のライン幅とスペース幅はそれぞれ０．３ｍｍ／０．２ｍｍ、０．３ｍｍ／０．３ｍｍである。
【０００４】
また、上部電極のシート抵抗は約２００Ω／□であり、単位長さあたりの配線抵抗は７ｋΩ／ｃｍに達する。素子の動作電圧は１０Ｖ、消費電流は１ｍＡであるので、配線抵抗による電圧降下は７Ｖ／ｃｍになる。このような大きな電圧降下を回避するために、給電用に低抵抗の信号配線が別に設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した上部電極は、信号配線毎に分離する必要があるので、従来はリフトオフプロセスを用いて必要なパターニングをおこなっている。通常は、上部電極層を被着した後、ホトレジストパターンを形成し、これをマスクにドライまたはウェットエッチングにより所望のパターニングを施すのが一般的である。
【０００６】
しかしながら、上部電極は６ｎｍと極めて薄いうえ、貴金属層を主体とするため、下地との密着性が十分とは言えず、エッチングあるいはレジストの被着・除去の過程で上部電極の剥離やトンネル絶縁膜へのダメージが避けられなかった。これに対して、リフトオフプロセスはパターン部にレジストが触れることがないため、上記した問題をある程度回避することが可能である。
【０００７】
しかしながら、リフトオフプロセスでは、現像に際してトンネル絶縁膜が現像液にさらされること、また、レジストの除去に際して有機溶媒や溶解したレジストの再付着が問題として残される。このため、でき上がったＭＩＭトンネルダイオード構造の電子源アレイは、メタルマスク蒸着で作製した（ホトリソグラフィ技術を必要としない）単一素子に比べて電子放出効率が１桁程度低下する現象がみられた。
【０００８】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、ＭＩＭ型トンネルダイオード構造の電子源の性能を低下させることなく、ＭＩＭ型トンネルダイオード構造の電子源のアレイ化に必須となる上部電極のパターニングを行うことを可能とした表示装置およ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】
本発明の原理的な構成を簡単に説明すれば、上記リフトオフプロセス等のホトリソグラフィ技術を使用することなく上部電極をパターニングするために、上部電極の被着に際して、あらかじめ信号配線に沿った段差部を設け、この段差部を利用して上部電極を信号配線間で分離することに特徴がある。
【００１０】
具体的には、本発明の薄膜電子源を用いた表示装置は、一対の基板と、枠部材とを有し、一対の基板と枠部材とで囲まれた空間が真空雰囲気とされる表示装置であって、上記一対の基板の一方の基板は、行（または列）方向に設けられる複数の走査電極と、列（または行）方向に設けられ、上記走査電極との交差部に開口部を有する複数の信号電極と、上記各信号電極毎に設けられ、上記開口部を覆う複数の上部電極と、上記開口部の上記各上部電極と上記各走査電極との間に設けられ、上記上部電極および上記走査電極とともにトンネルダイオード構造の電子源を構成する第１の絶縁膜とを有し、上記上部電極は、上記開口部を含む領域に設けられる段差部により、各信号電極毎に電気的に分離されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記段差部が、上記複数の信号電極上に設けられる第２の絶縁膜で構成されることを特徴とする。また、本発明は、上記第２の絶縁膜が感光性を有する材料で構成されることを特徴とする。また、本発明は、上記第２の絶縁膜が感光性ポリシラザンで構成されることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
＜本発明が適用される表示装置の基本構造＞
図１は、本発明が適用される平面型表示装置の基本構造を示す展開斜視図である。図１に示す平面型表示装置は、その表面に、ＭＩＭ型トンネルダイオード構造の微小電子源アレイ（図示せず）が形成されるＭＩＭ型電子源アレイ基板８と、ストライプ状の蛍光体（図示せず）が形成される蛍光表示板１１とが、枠ガラス兼スペーサ１０により対向配置されて構成される。なお、同図において９は排気管である。
【００１３】
図２は、図１に示すＭＩＭ型電子源アレイ基板８の一例の概略構成を示す平面図、図３は図２のＡ−Ａ’線に沿った要部断面図であり、ＭＩＭ型微小電子源の単一素子部分の構成を示す。
【００１４】
ＭＩＭ型電子源アレイ基板は、図２および図３に示すように、ソーダガラス等からなる基板１上に形成されるＸ方向にのびるストライプ状の下部電極（走査電極）２と、下部電極２上に形成されるフィールド絶縁膜５およびトンネル絶縁膜６と、それらフィールド絶縁膜５およびトンネル絶縁膜６上に形成され、Ｙ方向にのびるストライプ状の信号配線（信号電極）３と、信号配線３上に形成される上部電極４とで構成される。
【００１５】
上記下部電極２と信号配線３とは、図２に示すように互いに略直交するように形成され、マトリクス状に下部電極２と信号配線３とが重なる領域内のそれぞれに電子放出部が形成される。この電子放出部では信号配線３が開口部を有するように除去され、上部電極４がトンネル絶縁膜６を介して下部電極２と対向し、ＭＩＭ型トンネルダイオード構造の微小電子源が構成される。
【００１６】
ここで、下部電極２は、例えばネオジム（以下単にＮｄと記す）を２重量％含む、厚さが３００ｎｍのアルミニウム（以下単にＡｌと記す）で形成される。また、フィールド絶縁膜５およびトンネル絶縁膜６は、例えばＡｌの陽極酸化膜（Ａｌ₂Ｏ₃）で形成され、その厚さはフィールド絶縁膜５が１１０ｎｍ程度、トンネル絶縁膜６が５．５ｎｍ程度とされる。
【００１７】
また、例えば、信号配線３は厚さが１５０ｎｍのＡｌと、厚さが４５ｎｍのモリブデン（以下単にＭｏと記す）との多層膜で形成され、上部電極４は厚さが１ｎｍのイリジウム（以下単にＩｒと記す）と厚さが２ｎｍの白金（以下単にＰｔと記す）と厚さが３ｎｍの金（以下単にＡｕと記す）との多層膜で形成される。
【００１８】
図４は、図１に示す蛍光表示板１１の一構成例の概略平面図である。この蛍光表示板は、ソーダガラス等からなる基板２１上に、Ｙ方向にのびるストライプ状の赤、緑、青の蛍光体層からなる蛍光体ストライプ２２を形成し、蛍光体ストライプ２２上にＡｌ膜などからなるメタルバック膜２３を設けた構造となっている。
【００１９】
具体的構成例をあげると、上記蛍光表示板の基板２１は、例えば５５ｍｍ×７５ｍｍで、厚さが３ｍｍのガラス板からなる。上記基板２１上には、赤、緑、青の蛍光体による６００本（２００×３）の繰り返しストライプパターン２２がフォトリソグラフィー技術により形成され、その上からスパッタ法により、Ａｌの薄膜を形成してメタルバック層２３が形成される。ここで、蛍光体ストライプ層２２のストライプピッチは、例えば０．１ｍｍである。
【００２０】
＜本実施例の表示装置の製造工程と特徴的構造＞
図５は、本実施例のＭＩＭ型電子源アレイ基板８の製造フローを示す説明図である。図５では、上記電子源アレイ基板８の製造フローを８つの段階（１段階に複数の工程を含むことがある）に区分し、下部電極端子部、下部電極配線部、ＭＩＭ素子形成部、給電配線部および給電配線端子部の各部における加工状態を上記８段階に沿って部分断面図で示している。
【００２１】
第１段階（工程１〜２）
本実施例では、素子を形成する基板１として、ソーダガラスもしくは熱酸化膜付きシリコン単結晶からなる基板を使用する。まず、基板１にスパッタリングでＡｌ−Ｎｄ（２atm％）合金膜３２を３００ｎｍ堆積し、下部電極２のホトレジストパターン３２ｂを形成する。なお、ここで用いるＡｌ合金膜３２はＡｌ−Ｎｄ合金に限定されるものではなく、Ａｌと、ニッケル（Ｎｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）あるいはクロム（Ｃｒ）等からなる合金であってもかまわない。
【００２２】
第２段階（工程３〜４）
燐酸系混酸ＰＡＮ（Ｈ₃ＰＯ₄：ＣＨ₃ＣＯＯＨ：ＨＮＯ₃：Ｈ₂Ｏ＝１４：１：３：２）を用いてテーパ−形状加工を行い、下部電極２を形成した後、ホトレジストパターン３２ｂを除去する。
【００２３】
第３段階（工程５〜７）
つぎに、トンネル絶縁膜６を形成する部分をレジスト３１ｃでカバーする。ついで酒石酸アンモニウム水溶液とエチレングリコールとの混合液を電解液とし、下部電極２を陽極として陽極酸化を行い、厚いフィールド絶縁膜（層間絶縁膜）５を形成する。ここで、上記陽極酸化は、定電流（電流密度３０μＡ／ｃｍ²）状態で８０Ｖまで電圧を上げ、その後定電圧状態で１時間行なった。つぎに、トンネル絶縁膜６を形成する部分のレジスト膜を除去した。
【００２４】
第４段階（工程８）
上記と同じ電解液を用いて、トンネル絶縁膜（酸化膜）６を陽極酸化で形成する。このときの陽極酸化は、定電流（電流密度１０μＡ／ｃｍ²）状態で４Ｖまで電圧を上げ、その後定電圧状態に２時間保持して行なった。
【００２５】
第５段階（工程９〜１０）
信号配線用にスパッタリングでＡｌ合金とＭｏとの多層膜３３をそれぞれ１５０ｎｍと５０ｎｍ形成し、その後信号配線用のホトレジストパターン３１ｄを形成する。なお、信号配線３３の材料としては、Ａｌ合金とＭｏとの多層膜に限定されるものではなく、例えばタングステン（Ｗ）の単層膜であってもよい。
【００２６】
第６段階（工程１１〜１２）
つぎに、燐酸系混酸Ｈ₃ＰＯ₄：ＣＨ₃ＣＯＯＨ（６０％水溶液）：ＨＮＯ₃＝３：５：２を用いてパターンを転写し、信号配線３を形成した後、ホトレジストパターン３１ｄを除去する。
【００２７】
第７段階（工程１３）
感光性絶縁材として感光性ポリシラザン３０をスピン塗布により成膜する。膜厚はクラックが発生しない範囲で厚くするが、通常は１ないし２ミクロンに設定する。次に露光装置を用いて、パターンを転写し、アルカリ現像液、例えばＴＭＡＨ水溶液もしくは燐酸・珪酸ナトリウム水溶液を用いてパターニングする。
【００２８】
ここで、現像に際してアルカリによりトンネル絶縁層６が損傷を受けるため、大気中、４００℃以下で仮焼結した後、再度陽極酸化を実施する。このため、ＭＩＭ素子部のみならず、下部電極ならびに給電配線の端子部も開口させておくことが肝要である。このときの陽極酸化も、定電流（電流密度１０μＡ／ｃｍ²）状態で電圧４Ｖまで昇圧し、その後定電圧状態で２時間行った。
【００２９】
第８段階（工程１４）
上部電極４が不要な周辺の下部電極端子部をメタルマスクで覆った上で、スパッタリングでＩｒ（１ｎｍ）、Ｐｔ（２ｎｍ）、Ａｕ（３ｎｍ）の順に真空を破らずに連続成膜し、上部電極４を形成する。
【００３０】
以上の工程により完成した本実施例の表示装置におけるＭＩＭ型電子源の１素子分の断面構造を図６、図７に示す。なお、図６は図２に示すＢ−Ｂ’線に相当する線に沿った断面を示し、図７は同様にＣ−Ｃ’線に相当する線に沿った断面を示す。
【００３１】
図６、図７に示すように、本実施の形態で被着された上部電極４は、基板１に設けた感光性ポリシラザン３０による段差構造により段切れを起こし、自動的に信号配線３毎に分離される。
【００３２】
このようにして作製された本実施の形態のＭＩＭ型微小電子源アレイ基板８を真空容器内で圧力１×１０^-6torr下におき、下部電極２を接地し、信号配線３および上部電極４に＋８Ｖの電圧を印加したところ、上部電極４から電子放出が確認された。このとき、ＭＩＭ型微小電子源（すなわち、ＭＩＭ型トンネルダイオード）の電流密度は０．４Ａ／ｃｍ²、放出電流密度は２．０ｍＡ／ｃｍ²であった。この値はメタルマスクで作製した（すなわち、ホトレジストを用いない）単一素子の電子放出性能と同じであった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によって得られる代表的な効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００３４】
（１）本発明によれば、リフトオフプロセス等のホトリソグラフィ技術を用いることなく、ＭＩＭ型トンネルダイオード構造の電子源の上部電極のパターニングを行うことが可能となる。
【００３５】
（２）本発明によれば、エッチングまたはホトレジストの被着・現像・除去に係わる上部電極やトンネル絶縁膜への汚染・ダメージがなくなるので、ＭＩＭ型トンネルダイオード構造の電子源アレイの性能・寿命を大幅に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される平面型表示装置の基本構造を示す展開斜視図。
【図２】図１に示すＭＩＭ型電子源アレイ基板の構成例を示す模式的平面図。
【図３】図２に示すＡ−Ａ’線に沿った断面を示す要部断面図。
【図４】図１に示す蛍光表示板の一例の概略構成を示す模式的平面図。
【図５】本発明の表示装置のＭＩＭ型電子源アレイ基板の作製フローを示す説明図。
【図６】図２に示すＢ−Ｂ’線に相当する線に沿った断面を示す要部断面図。
【図７】図２に示すＣ−Ｃ’線に相当する線に沿った断面を示す要部断面図。
【符号の説明】
１…基板、２…走査線列、３…信号配線、４…上部電極、５…絶縁膜、６…トンネル絶縁膜、８…ＭＩＭ型電子源アレイ基板、９…排気管、１０…枠ガラス兼スペーサ、１１…蛍光表示板、２２…蛍光体ストライプ、２３…蛍光体ストライプ、３０…感光性絶縁膜。

Claims

一対の基板と、枠部材とを有し、一対の基板と枠部材とで囲まれた空間が真空雰囲気とされる表示装置であって、上記一対の基板の一方の基板は、行（または列）方向に設けられる複数の走査電極と、列（または行）方向に設けられ、上記走査電極との交差部に開口部を有する複数の信号電極と、上記各信号電極毎に設けられ、上記開口部を覆う複数の上部電極と、上記開口部の上記各上部電極と上記各走査電極との間に設けられ、上記上部電極および上記走査電極とともにトンネルダイオード構造の電子源を構成する第１の絶縁膜とを有し、ＭＩＭ素子部においては、上記上部電極は、上記各信号電極より後に設けられた開口部周囲の段差部により、各信号電極毎に電気的に分離されていることを特徴とする表示装置。
上記段差部は、上記複数の信号電極上に設けられた第２の絶縁膜で構成されることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
上記段差部は、上記複数の信号電極上に設けられた第２の感光性を有する絶縁膜で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の表示装置。
上記第２の感光性を有する絶縁膜が感光性ポリシラザンであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の表示装置。
一対の基板を製造する工程と、上記一対の基板を枠部材により封止・封着する工程とを有する表示装置の製造方法であって、上記一対の基板の一方の基板の製造工程は、基板上に行（または列）方向に複数の走査電極を形成する工程と、上記各走査電極上に、複数の第１の絶縁膜を形成する工程と、上記複数の走査電極上に、上記第１の絶縁膜が形成される領域に開口部を設けた、列（行）方向に複数の信号電極を形成する工程と、上記基板、上記複数の走査電極および上記複数の信号電極上に、第２の絶縁膜を形成し、上記開口部を包括する領域と、上記複数の走査電極および上記複数の信号電極の端子部に上記第２の絶縁膜の開口部設け、上記第２の絶縁膜の上に上部電極を成膜することにより、上記第２の絶縁膜の開口部周囲に生じる段差を利用して、各信号電極毎に電気的に分離された上部電極を形成する工程を有することを特徴とする表示装置の製造方法。
上記第２の絶縁膜が感光性を有する絶縁膜であることを特徴とする請求項５に記載の表示装置の製造方法。
上記第２の絶縁膜が感光性ポリシラザンであることを特徴とする請求項５または６に記載の表示装置の製造方法。