JP3971393B2 - 電界放出素子の製造方法、電界放出素子及び平面ディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、電界放出素子の製造方法、電界放出素子及び平面ディスプレイ装置に関し、特に、エミッタ形状を直接削り出す方法の他、転写モールド法に用いる金型の原盤にエミッタ様のエミッタ形状を形成するものに関する。

近年、半導体微細加工技術の進歩に伴い、ミクロンサイズの微小真空管（電子銃）である電界放出素子が注目され、その開発が進められている。

この電界放出素子は、電子線描画装置や平面ディスプレイの電子放出源として利用することが考えられており、そのためには、先鋭化された多数のエミッタ電極を、面方向に高密度に配列する必要がある。また、平面ディスプレイの電子放出源として用いる場合、このエミッタ電極の先鋭度を向上させて一つ一つの素子の駆動電圧を下げる必要がある。

平面ディスプレイ用の電界放出素子の形成方法については様々な方法が知られている（例えば特許文献１，２参照）。
特開平１０−２０８６２４号公報 特開平１０−２０８６２３号公報

上記した電界放出素子の従来の製造方法にあっては、次のような問題があった。すなわち、エミッタ電極の先鋭化を、半導体製造技術として利用されている重ね合わせ露光や異方性エッチング等の手法によって行っていた。このため、エミッタ電極の先鋭化プロセスの再現性が乏しく、多数のエミッタ電極を均質に作成することが困難であった。

また、この場合、先鋭度は露光装置の解像度に左右される。すなわち、エミッタ電極の先鋭度は、マスクパターンニングを行うステッパ等の解像度に依存するが、その解像度には限界があるため、先鋭化には一定の限界があった。

また、半導体製造技術を利用した電界放出素子の形成方法では、素子を形成する基板の大きさが半導体ウエハのサイズに制限されてしまうという問題もある。

そこで本発明は、微細、高密度かつ高い形状精度を有する電界放出素子の製造方法、電界放出素子及び平面ディスプレイ装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の電界放出素子の製造方法、電界放出素子及び平面ディスプレイ装置は次のように構成されている。

（１）電界放出素子の製造方法は、母材を切削することにより主面にエミッタ形状が設けられた第１の原盤を形成する工程と、前記第１の原盤のエミッタ形状が設けられた主面上に第１の金属層を形成する工程と、前記第１の原盤から前記第１の金属層を剥離する工程で前記第１の原盤のエミッタ形状が転写された凹部形状の第２の原盤を形成する工程と、前記第２の原盤の凹部が設けられた主面上に第２の金属層を形成する工程と、前記第２の原盤から前記第２の金属層を剥離する工程で前記第２の原盤の凹部形状が転写された凸部形状のエミッタ電極を形成する工程とを備えることを特徴とする。

（２）電界放出素子は、（１）の製造方法により形成されたことを特徴とする。

（３）（１）の製造方法により形成された電界放出素子の前記エミッタ電極から電子を放出させるゲート電極を有する陰極装置と、少なくとも、前記陰極装置から放出された電子を引き付けるための陽電極及び前記電子が衝突することによって発光する発光体膜が設けられた透光性基盤を有する陽極装置とを備えていることを特微とする。

本発明によれば、微細、高密度かつ先鋭度の高いエミッタ形状を得ることができる。

図１〜図１１は、本発明の第１の実施の形態に係る電界放出素子の製造方法を示す図である。本電界放出素子の製造方法では、基板の表層を切削加工することで、電界放出素子のエミッタ形状列（エミッタアレイ）を削り出し、さらに、最終的な製品である平面ディスプレイ装置等の製品を得るものである。

図１は、この方法で形成するエミッタアレイ１（エミッタ形状２の列）を拡大して示すものである。各エミッタ形状２は、一辺の長さＬ＝１〜５０μｍ、頂角θ＝３０〜１２０°（好ましくは約７０°）、高さＨ＝１〜５０μｍの正四角錘であり、間隔Ｍ＝１〜５０μｍ、ピッチＰ＝１〜１００μｍの格子状に配置されている。

このエミッタ形状２は、例えば、平面ディスプレイ装置（ＦＥＤ：Field Emission Display）に適用される電界放出素子の場合、１画素当り、横約５×３（"３"はＲＧＢ数）個、縦約１０個の計１５０個、ＦＥＤの１画面のサイズを横１０００×縦約８００画素とすると、画面全体で総計１５０００×８００個形成されなければならない。

この実施形態は、合計１５０００×８００個のエミッタアレイ１を図２に示す切削加工装置で一度に形成する方法を提供する。

この切削加工装置は、門型のＮＣ加工機であり、基台４上に搭載された門型ヘッド５が、図中６で示す主軸装置をＸＹＺ方向に位置決め自在に保持している。この主軸装置６は、高速エアスピンドル（不図示）と、このエアスピンドルによって回転駆動される主軸７を有しており、この主軸７の先端部には、円盤状のブラケット８を介してダイヤモンドバイト９（回転工具）が取着されている。このダイヤモンドバイト９は、主軸７の径方向に沿って外側に突出する状態で取着されている。

このダイヤモンドバイト９は、図３に示すように、主軸７側に固定されるシャンク１１と、このシャンク１１の先端に接着されたダイヤモンドチップ１２とからなる。

図４は、このダイヤモンドチップ１２の切刃の形状を示したものである。このダイヤモンドチップ１２は、掬い面１２ａと、前切刃１２ｂと、横切刃１２ｃと、前切刃逃げ面１２ｄと、横切刃逃げ面１２ｅとから構成されている。ここで、掬い面１２ａの前切刃長Ｗと頂角φは、それぞれエミッタ形状２の間隔Ｍ、頂角θ（図１参照）に等しく設計されている。さらに、前切刃逃げ角α及び横切刃逃げ角βはそれぞれ３°に設定されている。

また、図２に示すように、加工装置の基台４上には、工作対象としての基板１４が回転位置決めテーブル１５上に保持されている。この基板１４は、例えば、電界放出素子のエミッタ電極を転写モールド法で形成する場合に用いる金型を製造するための原盤であり、ＦＥＤの全画素に対応する投影面積分の面積を有するものである。

次に、この基板１４の表面にエミッタ形状２を形成する工程を図２、図５及び図６の（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。

まず、図２に示す門型ヘッド５を作動させ、主軸装置６をＸＹ方向に駆動し、ダイヤモンドバイト９を基板１４に対向位置決めする。ついで、主軸装置６を作動させることでダイヤモンドバイト９を回転させる。このことで、ダイヤモンドチップ１２の前切刃１２ｂは、図２に点線γで示す円軌跡を描く。

この状態で、主軸装置６をＺ方向に沿って下降駆動し、ダイヤモンドバイト９を所定の切込深さＤで基板１４に切り込ませると共に、所定の送り速度でＸ軸方向に駆動する。このことで、図５に示すように、ダイヤモンドチップ１２の掬い面１２ａで、基板１４の表層（網掛け部分）を削り取り、このチップ１２の掬い面１２ａと同断面形状の溝１７を形成していくことができる。

ここで、主軸装置６のＸ方向の単位時間当たりの送り量ｆ（送り速度Ｆ）は、図５に示すように、１回当りの最大切り取り厚さｔに基づいて決定される。加工中の欠け等を制御し、例えばエミッタ形状２の先端を先端半径３０ｎｍ以下に先鋭化するには、最大切り取り厚さｔを一定厚さ以下、好ましくはｔ≦１０μｍ、さらに好ましくはｔ≦１μｍに制御する必要がある。

ここで、ｔは、ダイヤモンドバイト９の回転数をＳ、工具送り速度をＦ（＝ｆ・ｄｘ／ｄｔ），切込深さをＤ、バイト切刃の回転半径をＲとすると、それらの幾何学的関係から、
ｔ＝（Ｆ／Ｓ）・｛２（Ｄ／Ｒ）−（Ｄ／Ｒ）２｝１／２
で与えられるから、これから工具送り速度Ｆを決定すれば良い。

図６の（ａ）は、この工程によって形成される溝１７を示す斜視図である。上記工程を、ダイヤモンドバイト（主軸装置）をＹ方向にピッチＰ（＝Ｌ＋Ｍ）で送りつつ複数回行うことで、図６の（ｂ）に示すように、複数の溝１７を形成することができ、溝１７間に三角陵１８を形成することができる。

次に、テーブル１５を９０度回動させ、上記図６の（ａ），（ｂ）と全く同様の切削工程を行うことで、図６の（ｃ）に示すように、三角陵の交点のみが残り、基板１４の表面全面に亘って四角錐のエミッタ形状２のアレイ１が削り出されることになる。

この状態では、エミッタ形状２の稜線上に加工物の流動に起因するバリが形成されることがあるが、これを除去する必要がある場合には、図６の（ａ）〜（ｃ）と同一軌跡の操作を再び繰り返す（ゼロカット）ことで、バリを除去することができる。なお、ゼロカットにより除去しきれないバリが生じている場合には、アセトンによる超音波洗浄等の洗浄工程により除去することができる。

このような構成によれば、半導体微細加工技術を用いず、切削加工によりエミッタ形状２を形成するものであることから次の効果を得ることができる。

第１に、基板１４は半導体ウエハに限定されないため、大型ＦＥＤの全画素分に対応する面積に一度にエミッタアレイ１を形成することができる。

第２に、エミッタ形状２の形成に露光やエッチング等の半導体製造プロセスを用いないので、エミッタ形状の先鋭化が露光解像度や除去作用の等方性等の制限を受けることがなく、均質なエミッタ形状を得ることができる。さらに、後の実施形態でも示されるように、先端の曲率半径３０ｎｍ以下と、極めて先鋭度の高いエミッタ形状を得ることを可能とする。

第３に、回転工具（ダイヤモンドバイト９）を用いて切削加工を行うようにしたから、一回の切削量を極めて小さくすることができ、欠け等が生じるのを防止して極めて先鋭度の高いエミッタ形状を形成することができる。

なお、本発明の方法は、前述したように、エミッタ電極を転写モールド法で形成するための金型を得るための原盤にエミッタ形状を形成する場合の他、電界放出素子のエミッタ電極を直接を形成する場合にも適用可能である。

また、エミッタ形状２は四角錐に限定されるものではなく、図７に示すような三角錐であっても良い。この場合、基板を６０度ずつ回動させて上記と同様の切削加工をＡ〜Ｃの各方向に沿って行えば良い。

四角錐の場合には、送り量の設定及び加工装置の位置決め誤差に起因し、本来頂点となるべき部位が切頭形状として残ってしまう可能性があるが、三角錐の場合には必ず頂点が形成されるという利点がある。

また、図８で示したのは、エミッタ形状アレイ１の分布を偏在化させた例である。このような配置であっても上述の切削加工によればＹ方向の送りピッチＰ１、Ｐ２を不等に変化させることで得ることができる。

さらに、上記加工装置は、図２に示すものに限定されるものではなく、例えば図９に示すような装置であっても良い。

図２に示す装置は、ダイヤモンドバイト９を水平軸回りに回転させていたが、この加工装置は、垂直軸回りに回転させた例である。このような装置であっても上記装置と同様の加工を行うことができる。

このとき基板１４から生じる切削屑は動方向に落下するから、被加工物下方に切削屑が付着し易い。溝形成前の被加工表面に屑が付着すると、切削時にダイヤモンドバイト９と被加工表面との間に切削屑が挟まり易くなるため、高精度な溝加工を実施することが困難となる。したがって、溝加工中のダイヤモンドバイト９は重力方向と直交する方向に移動させる。このような溝加工を被加工物の下方から上方に向かって繰り返すことにより、順次溝を形成していくことが好ましい。重力方向に略直交する方向に送られているダイヤモンドバイト９の後方から追うようにして、ミスト状の灯油を加工点に対して吹き付けることによって排除することが好ましい。切削屑を被加工物と工具との間から排除する観点と、ダイヤモンドバイト９と被加工物との潤滑を図る観点から有効である。加工終了後に被加工物表面に残留した切削屑は、洗浄して排除することができる。

（第１の実施形態の実施例）
第１の実施形態の実施例として、一辺の長さＬ＝１０μｍ、頂角θ＝７０°、高さＨ＝７μｍ、ピッチＰ＝２０μｍのエミッタ形状アレイ１を形成した。加工により得た製品は、画面サイズ４０インチのＦＥＤ装置を構成するためのエミッタアレイを転写モールド法成形に用いる金型上に形成するための原盤１４′′として用いる。しかしながら、このようにして切削により得られた基板１４を、そのまま電界放出素子を形成するエミッタアレイとして用いてもよい。

図１０〜１１は、その模式図を示したものである。図１０は、切削加工により削りだされるエミッタ形状を示す模式図、図１１は、ゼロカット実施後のエミッタ形状を示す模式図である。

以下に、このエミッタ形状アレイを形成した際の加工装置の加工精度及び加工条件を示す。

（１）加工装置の加工精度
１ 主軸装置のエアスピンドル…径方向回転振れ量０．０５μｍ以下、軸方向回転振れ量０．０５μｍ以下。

２ 門型ヘッド：
Ｚ軸…ストローク１００ｍｍ以上、真直度０．１μｍ以下、直角度０．１μｍ以下、位置決め精度１０ｎｍ以下、
Ｙ軸…ストローク８００ｍｍ以上、真直度０．８μｍ以下、直角度０．８μｍ以下、位置決め精度１０ｎｍ以下、
Ｘ軸…ストローク８００ｍｍ以上、真直度０．８μｍ以下、直角度０．８μｍ以下、位置決め精度１０ｎｍ以下。

３ ダイヤモンドバイト：
シャンク…縦８ｍｍ、横８ｍｍ、長さ６０ｍｍ、
ダイヤモンドチップ…刃先角７０°、前切刃長１０μｍ、切刃高さ２ｍｍ、前切刃逃げ角３°、横切刃逃げ角３°、主軸中心からダイヤモンドチップの頂点までの高さ６０ｍｍ。

（２）加工条件
主軸回転数：Ｓ＝２０００ｍｉｎ−１
Ｘ軸送り速度：Ｆ＝１００ｍｍ／ｍｉｎ
切込深さ：Ｄ＝０．０１ｍｍ
切り取り量：ｔ≦１μｍ
Ｙ方向送りピッチ：Ｐ＝２０μｍ。

ダイヤモンドチップの刃先角は任意に変更可能である。その範囲は一般的に３０°〜１２０°の範囲となる。このため、エミッタ形状の頂角を任意に設定することができると同時に、エミッタ形状のアスペクト比も任意に設定することが可能になり、これにより電子が放出しやすいエミッタを形成することが可能となる。なお、Ｓｉを異方性エッチングにより加工する方法では、実質的に７０°程度の角度でしか加工できない。

（第２の実施形態）
図１２は本発明の第２の実施の形態に係る電界放出素子の製造方法を示す図である。本電界放出素子の製造方法では、第１の実施形態で製造された原盤１４′を利用して電界放出素子のエミッタ電極を製造するものである。

まず、第１の実施形態の方法により、約３８Ｈｖの無酸素銅、約１７Ｈｖのアルミニウム（１０６０−Ｏ）、無電解Ｎｉメッキ層が施されてなるディスプレイが必要とする表示面積に相当する大きさの基板１４を切削加工してエミッタアレイ１を有する原盤１４′を形成する（Ｓ１）。なお、上記の金属の他、Ｒａ＝０．０１μｍ程度の鏡面加工がしやすく、展性・延性に富む他の金属でもよい。

次に、この原盤１４′の表面を脱脂し、さらにフッ化アンモニウム等のフッ化物で表面を活性化した後、無電解Ｎｉメッキや電解Ｎｉメッキによる方法を用いて、原盤１４′上に、一次転写の例えば５００Ｈｖの電解ＮｉからなるＮｉ電鋳層２０を形成する（Ｓ２）。Ｎｉ電鋳層２０の厚さは、例えば５０μｍ程度のものである。その後、このＮｉ電鋳層２０を原盤１４′から剥離する。これによりＮｉ電鋳金型２１を得る（Ｓ３）。次に、このＮｉ電鋳金型２１の表面に対して脱脂又は陽極酸化等を行い、付着物が剥離され易い状態にしておく。その後、このＮｉ電鋳金型２１上に二次転写の５５０Ｈｖの無電解ＮｉからなるＮｉ電鋳層２２を形成する（Ｓ４）。このＮｉ電鋳層２２の厚さが薄くて機械的強度が得られにくい場合には、ガラス基板等の裏打ちを施してもよい。その後、このＮｉ電鋳層２２をＮｉ電鋳金型２１から剥離することでＮｉ電鋳工具２３を得る（Ｓ５）。このＮｉ電鋳工具２３は、ＦＥＤ装置の全画素分に対応する表面積及びエミッタ形状のアレイ２４を有するので、そのまま電解放出素子に利用可能である。原盤１４′から複数のＮｉ電鋳基板２３を得ることができるので、加工時間を大きく短縮することができる。

さて、このようにして得られたＮｉ電鋳基板２３を工具として用いることにより、さらに雌型を作成することが可能である。

（Ｓ５）の工程の後、このＮｉ電鋳工具２３を、ＦＥＤの全画素分に対応する表面積を有する基板２５に押し付けることにより、一度の押し付けで転写モールド形成用の金型２６を得ることができる（Ｓ６）。

図１４の（ａ）は、この押し付けを行う押し付け装置を示すものである。この押し付け装置は、基台２８と、この基台２８上に設けられ、加工対象である基板２５の表面をＺ軸に対して垂直にした状態で保持しかつＺ軸方向に位置決めできるＺ軸テーブル２９と、Ｎｉ電鋳工具２３を基板２５の表面に対向させた状態で保持しＮｉ電鋳工具２３をＸＹ方向に位置決め駆動するＸＹ駆動ヘッド３０とを有する。

このような装置によれば、Ｎｉ電鋳工具２３をＸＹ駆動ヘッド３０によって基板２５の表面に対向位置決めし、基板２５をＺ軸方向に駆動することで、基板２５の表面をＮｉ電鋳工具２３に押し付けることができる。

この押し付けは、Ｎｉ電鋳工具２３のエミッタ形状２４を基板２５の所定の深さまで押し込み、塑性変形に必要な時間（例えば１０秒）だけその状態を保ち、その後引き離すことで行われる。

なお、このような押し付け加工においては、材質等の要因により基板２５の表面に盛り上がり３１（図１２参照）が発生し、表面の平坦度が失われる場合が考えられる。これに対応するためには、例えば図１４の（ａ）に示す加工装置によって、Ｎｉ電鋳工具２３の近傍に平面加工用ダイヤモンドバイト３２を保持し、一方、Ｚ軸テーブル２９に基板２５を取り付け、このダイヤモンドバイト３２を用いてこの基板２５表面の盛り上がり３１を平面切削して除去し、所定の平面度に仕上げるようにする。

このような構成によれば、一度の押し付け加工で、ＦＥＤ装置全面積に対応する大きさの金型を得ることができる効果がある。

なお、この実施形態では、ＦＥＤの全面に対応する大きさのＮｉ電鋳工具２３を用いて、これを基板２５に押し付けることで、一度の押し付け加工で転写モールド成型用の金型２６を得るようにしたがこれに限定されるものではない。比較的小さい電鋳工具を用い、これを複数回押し付け加工することでＦＥＤ全面に対応する大きさの金型を得るようにしても良い。

このためには、図１４の（ａ）〜（ｆ）に示すように、押し付け位置をずらしながらＮｉ電鋳工具２３′の押し付けを複数回繰り返すことで、ＦＥＤの全面に対応する大きさの金型２６を加工すれば良い。なお、図１５の（ｆ）に示すように最後に平面度を出すために二点鎖線Ｑで示すように切削を行う。例えば、１０００×１０００のエミッタアレイ２４′を有するＮｉ電鋳工具２３′を用いて繰り返し押し付け加工を行う場合、ＦＥＤ全体のアレイ数は１５０００×８０００であるから、１回の押し付け加工に要する時間を約６０秒として、
（１５０００／１０００）×（８０００／１０００）×６０ｓｅｃ＝２ｈｏｕｒ
となるから、約２時間と、極めて短時間での金型制作が可能となる。

なお、この場合にも、基板の表面に盛り上がり３１が形成されることがあるが、上述したように押し付け加工終了後に平面切削により除去すれば良い。

なお、このＮｉ電鋳工具２３′は、シリコン基板を露光・異方性エッチングすることで形成されたものであっても良い。

また、押し付け加工を行う加工装置は図１３の（ａ）に示すものに限定されるものではなく、図１３の（ｂ）に示すようなものであっても良い。この装置は、門型ヘッド３５を有し、この門型ヘッド３５はＮｉ電鋳工具２３をＸＹＺ方向に位置決め駆動可能に保持している。また、この門型ヘッド３５は、平面加工用ヘッド３６を保持している。この平面加工用ヘッド３６は、Ｚ軸について回転可能な主軸（不図示）を有し、この主軸にダイヤモンドバイト２７が取り付けられている。このような装置によっても、図１３の（ａ）に示した装置と同様の加工を行える。

図１５の（ａ）〜（ｃ）は、エミッタの凹型を押し込み塑性加工した実験例を示す顕微鏡写真である。工具としてＳｉ凹型を転写した電解Ｎｉメッキ凸原盤を用い、加工物には焼鈍処理（２００℃×４ｈ）を施した無酸素銅（Ｃ１０２０ＢＤ）を用いた。加工領域は４ｍｍ×４ｍｍ、押し込み圧力は２００〜６００Ｎ／ｍｍ２、押し込み速さは０．２ｍｍ／ｍｉｎ、荷重保持時間は３０ｓｅｃとした。図１５の（ａ）は使用前の工具、図１５の（ｂ）は加工後の工具、図１５の（ｃ）は加工後の加工物表面をそれぞれ倍率１００００倍で示したものである。加工物には工具先端の形状が転写されている。また、工具先端は加工によって丸みを帯び鈍化され、その先端半径は５０〜１００ｎｍとなった。したがって、加工物のエミッタ形状先端半径も５０〜１００ｎｍ程度であると推測される。

この実験例から、ダイヤモンド圧子を工具とし無酸素銅を加工物としてエミッタの無酸素銅凹型を製作し、これを転写した電解Ｎｉメッキ凸原盤を工具としてさらに大面積の無酸素銅凹型を製作することが可能と考えられる。工具には、実験と同様にＳｉ凹型を転写した電解Ｎｉメッキ凸原盤を用いることもできる。電解Ｎｉメッキの硬さはワット浴でＨｖ１５０〜２５０、光沢浴でＨｖ４００〜５００であるのに対し、無電解Ｎｉメッキの硬さは熱処理なしでＨｖ５５０、熱処理後でＨｖ１１００である。また、熱処理した無酸素銅（Ｃ１０２０ＢＤ）の硬さは約Ｈｖ３８であるのに対し、熱処理したアルミ（１０６０−Ｏ）の硬さは約Ｈｖ１７である。したがって、工具先端の鈍化（丸み）は、工具材種を無電解Ｎｉメッキとし、加工物をアルミとすることにより、低減可能であると考えられる。必要に応じて材料を選択することが望ましい。

図１６，１７は本発明の第３の実施の形態に係るエミッタ電極製造方法を示す図である。上述した第１、第２の実施形態では、基板の表面にエミッタ形状を切削加工するようにしていたが、加工物は基板に限られるものではなく、図１６に示すような円筒体４０であっても良い。

まず、図１６の（ａ）に示すように、円筒体４０をその中心軸回りに回転させ、これに回転するダイヤモンドバイト９を当接させることで周に沿う溝１７′を形成する。ついで、図１６の（ｂ）に示すように、この円筒体４０を９０度回動させ、所定のピッチで回転方向に送りながらこの円筒体４０とダイヤモンドバイト９とを円筒体４０の軸方向に沿って相対的に移動させることで、溝１７′と直交する溝１７″を形成することができ、この結果、図６の（ａ）〜（ｃ）に示したものと同じような加工が行える。そして、この円筒体４０の全面に亘ってエミッタ形状を形成することができる。

このような加工方法によれば、上記形状の工具２３″を形成することでき、そして、図１７に示すように、工具２３″を基板と平行な軸線において回転させながら押し付け、平行に相対変位させることで、金型となる基板２５に対してエミッタ形状の転写を連続的に行っていくことができる。図１７中４１は工具２３″とともに基板２５を挟圧するローラを示している。

図１８は本発明の第４の実施の形態に係る平面ディスプレイ装置の要部を示す図である。平面ディスプレイ装置は、上記第１〜第３の実施形態に示されたエミッタ形状製造方法を利用して形成された電界放出素子を用いて得られたものである。

図１８は、このＦＥＤから、１画素に対応する部分の構成のみを取り出して示した分解図である。

このＦＥＤは、大きく分けてディスプレイ装置の裏面側に配置される陰極装置４２と、ディスプレイ面側に配置される陽極装置４４とからなる。

陰極装置４２は、エミッタ電極４５が前述した方法で形成されてなる基板４６と、この基板上に絶縁層（不図示）を介して積層されエミッタ電極４５の先鋭化された先端部を囲む開口を有するゲート電極４７とを有する。ゲート電極４７と基板４６との間には、絶縁層としてシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を、ＣＶＤ法、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、印刷法等のいずれかの手法を用いて形成してある。ゲート電極４７はこの絶縁層の上に設けられており、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、又はそれらの合金等の材料を無電解メッキ、電気メッキ、印刷法、スパッタリング法、蒸着法等のいずれかの手法により形成した層に対して、ＣＭＰ、ＣＤＥ、ＲＩＥ、ウェットエッチング法等の除去加工手法を施し、エミッタ電極４５の先端を囲むような開口を形成することによって、構成されている。

そして、減圧環境の下で、ゲート電極４７とエミッタ電極４５との間に所定の電圧を印加することで、エミッタ電極４５の先端部から電子を放出することができる。すなわち、ゲート電極４７とエミッタ電極４５は駆動回路（不図示）に接続されており、マトリックス制御により任意のエミッタ電極４５から電子を放出させることができる。

一方、陽極装置４４は、ガラス等の透光性基板４８と、この透光性基板４８の陰極装置４２に対向する面に形成されたＩＴＯ膜等のアノード電極４９と、このアノード電極４９の表面に形成されたＲ、Ｇ、Ｂの各蛍光膜５０ａ、５０ｂ、５０ｃとからなる。アノード電極４９は、駆動回路（不図示）に接続されており、エミッタ電極４５との間に所定の電圧が印加されることで、エミッタ電極４５から放出された電子を制御することができる。

このことで、電子を任意の蛍光膜に衝突させることができ、これにより透光性基板４８を通して所望の画像を表示させることができる。

このようなＦＥＤによれば、輝度の高い表示が行え、かつ、従来の液晶ディスプレイと異なりバックライトが不要である。また、非常に薄く構成することができるので、壁掛けテレビとしても使用することができる。

なお、本発明は、このようなＦＥＤに適用されるものに限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々変形可能であることはいうまでもない。

以上述べたように、本発明によれば、微細、高密度かつ先鋭度の高いエミッタ形状を得ることを可能とする。

さて、上記したエミッタは、単純な角錐形状であったが、バイトの刃先形状を変化させることにより、多様な稜線を成形することが可能である。刃先形状の変化は、互いに異なる刃先形状を有する複数の工具を用いる方法と、単一のバイトの刃先の形状を所望の稜線形状に合わせておく方法と、があるが、工具の作り易さの観点から、後者の方がより実用的である。

刃先を切り込ませる方向から見て両側部の切刃の配置される角度を刃先角とおく。図２０の（ａ）に示すように、刃先角θ１を有するダイヤモンドチップ１０１と、刃先角θ２を有するダイヤモンドチップ１０２と、エミッタ形状が切り出される被加工物１０３と、を用意する。なお、このときθ１＞θ２とする。図２０の（ｂ）に示すように、まず、ダイヤモンドチップ１０１によって、被加工物１０３に溝加工を施す。それによって形成される溝に対して、この溝の深さよりも浅い切り込み量だけダイヤモンドチップ１０２を切り込ませてこの溝に沿って削る。このとき、溝の両側が切削されるよう、ダイヤモンドチップ１０２の切刃の幅は、ダイヤモンドチップ１０１の切刃の幅よりも大に設定されている。このプロセスにより、図２０の（ｃ）に示すように、被加工物１０３上には、頂角の大きい切頭角錐形状の基底部１０４ａと、この基底部１０４ａ上に存する頂角の小さい角錐形状の先端部１０４ｂとを有する段状のエミッタ形状が形成される。なお、ダイヤモンドチップ１０１，１０２がそれぞれ異なるシャンクに固定されてなる複数の工具を用いて加工しても良いが、図２０の（ｄ）に示すように、一つのシャンク１０５に双方のダイヤモンドチップを固定した一つの工具を用いて加工することが可能である。このとき、ダイヤモンドチップ双方の間隔を加工する溝の幅と同一に設定しておくことにより、一回の加工で、段状のエミッタ形状を得ることが可能となる。

このように本発明によれば、稜線が非直線のエミッタ様形状を容易に成形できる。

また、エミッタの先端からエミッタの底部までは、ある程度以上の高さが要求されるので、機械的強度の問題から、頂角のとりうる最小の角度は制限を受けていたが、このような段状のエミッタは、機械的強度を基底部によって補償できるため、先端部の頂角をより小さく形成することが可能になる。頂角が小さいことで、先鋭度が高まり電子が放出され易くなるから、このようなエミッタを有する電界放出素子は、低消費電力で画像を提供することが容易となる。

上記したほかにも、図２１の（ａ）〜（ｃ）に示すような、様々な形状が実現可能である。図２１の（ａ）は、基底部１０４ａと先端部１０４ｂとの間に中断部１０４ｃが設けられている。この中段部１０４ｃも、工具の刃先角と刃先の幅を適宜設定することにより、容易に得ることが可能である。ｚまた、図２１の（ｂ）は、ウェッジ状に形成された先端部１０５ｂと、これを支える基底部１０５ａとを有するエミッタ形状である。ウェッジ上に形成されることにより放出電流量が増加し、輝度の向上に寄与できる。また、ウェッジ先端の一部分に欠け等の不良が生じても、他の部分から電子が放出されるので、耐久性に優れるという利点を有する。

刃先を円弧状に設定することにより、図２１の（ｃ）に示すような弧の稜線を有するエミッタ形状１０６ｂも成形することが可能である。弧状になるので機械的強度が向上するほか、先鋭度も高めることが容易となる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

本発明の第１の実施形態に基づいて削り出されるエミッタ形状の列を拡大して示す斜視図。 切削加工装置を示す斜視図。 ダイヤモンドバイトを示す図。 ダイヤモンドチップを示す三面図。 ダイヤモンドチップの軌跡を示す模式図。 エミッタ形状の削り出し工程を説明するための工程図。 三角錐のエミッタ形状列を示す平面図。 エミッタ形状列が偏在する例を示す平面図。 他の切削装置の例を示す斜視図。 ゼロカットを行う前の顕微鏡拡大写真。 ゼロカットを行った後の顕微鏡拡大写真。 本発明の第２の実施形態に基づいて転写モールド形成法に用いる金型を形成する工程を示す工程図。 電鋳工具を金型となる基板に押し付ける押し付け加工装置を示す斜視図。 別の金型形成工程の例を示す工程図。 （ａ）はエミッタの凹型を押し込み塑性加工した加工前の工具の顕微鏡写真、（ｂ）はエミッタの凹型を押し込み塑性加工した加工後の工具の顕微鏡写真、（ｃ）はエミッタの凹型を押し込み塑性加工した加工後の加工物の顕微鏡写真。 本発明の第３の実施形態を示すもので、被加工物として円筒体を加工する例を説明する図。 円筒状の金型を用いて押し付け加工を行う状態を示す図。 ＦＥＤを示す分解斜視図。 複数のダイヤモンドチップを用いて溝加工を行う場合を示す模式図。 段状のエミッタ形状の一形態を示す斜視図。

符号の説明

１…エミッタアレイ、２…エミッタ形状、９…ダイヤモンドバイト、１４，４６…基板、１４′…原盤、１７，１７′，１７″…溝、１８…三角陵、２０…Ｎｉ電鋳層、２１…Ｎｉ電鋳金型、２２…Ｎｉ電鋳層、２３，２３′…Ｎｉ電鋳工具、２３″…工具、２４…アレイ、２５…基板、２６…金型、４０…円筒体、４２…陰極装置、４４…陽極装置、４５…エミッタ電極、４８…透光性基板、５０ａ〜５０ｃ…蛍光膜、１０３…被加工物。

Claims (5)

1. 母材を切削することにより主面にエミッタ形状が設けられた第１の原盤を形成する工程と、
   前記第１の原盤のエミッタ形状が設けられた主面上に第１の金属層を形成する工程と、
   前記第１の原盤から前記第１の金属層を剥離する工程で前記第１の原盤のエミッタ形状が転写された凹部形状の第２の原盤を形成する工程と、
   前記第２の原盤の凹部が設けられた主面上に第２の金属層を形成する工程と、
   前記第２の原盤から前記第２の金属層を剥離する工程で前記第２の原盤の凹部形状が転写された凸部形状のエミッタ電極を形成する工程とを備えることを特徴とする電界放出素子の製造方法。
2. 前記第１の原盤を形成する工程は刃先角の違う複数の工具を用いて行なうことを特徴とする請求項１記載の電界放出素子の製造方法。
3. 前記第１の原盤を形成する工程においてエミッタ形状は、少なくとも複数の線分又は弧が組み合わされた稜線を有し、且つ頂角が３０°以上７０°以下となるように切削されることを特徴とする請求項１又は２記載の電界放出素子の製造方法。
4. 請求項１乃至請求項３の少なくともいずれか１つの製法により形成されたことを特徴とする電界放出素子。
5. 請求項４によって形成された電界放出素子の前記エミッタ電極から電子を放出させるゲート電極を有する陰極装置と、
   少なくとも、前記陰極装置から放出された電子を引き付けるための陽電極及び前記電子が衝突することによって発光する発光体膜が設けられた透光性基板を有する陽極装置とを備えていることを特微とする平面ディスプレイ装置。

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