JP4160635B2 - 電子放出デバイス用の構造上に多数の開口部が貫通した固体材料の層を形成する方法 - Google Patents
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Description
関連出願の相互参照
本出願は、Haven等による、同時出願の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／０９１９６に特に類似した内容を含んでいる。
利用分野
本発明は、開口部が貫通している固体層の形成に関するものである。本発明はまた、フラットパネル型ＣＲＴのような製品に適した、通常カソードと称する電子放出デバイスの製作における、このような層の利用にも関連する。
背景技術
電界放出カソード（或いはフィールドエミッタ）は、十分な強度の電界を受けた時電子を放出する。電界は、カソードから短い距離だけ離隔して配置された、通常アノードまたはゲート電極と称する電極とカソードとの間に適切な電圧を印加することにより生成される。
電界放出カソードをフラットパネル形ＣＲＴディスプレイで用いる時、カソードからの電界放出はかなり広い面積に亘って生ずる。電子放出領域は通常電子放出部分の二次元配列に分割され、配列の各部分は対応する発光部分の反対側に配置され、画素（又はピクセル）の一部、若しくは全てを形成する。各電子放出部分から放出された電子は、対応する発光部分に衝突し、発光部分から可視光線を放出させる。
通常、各発光部分の面積全体に亘って照度が均一（一定）であるのが望ましい。均一の照度を達成するための方法の１つが、対応する電子放出部分の面積全体に亘って電子が均一に放射されるような構成にすることである。このために通常は、僅かな距離だけ離隔して配置された小型の電子放出素子の群として各電子放出部分を形成する。
このような電子放出素子を含む電子放出デバイスの形状のため、種々の技術が研究されてきた。Ｓｐｉｎｄｔ等の“Microfabrication in Micron-Size Field-Emission Tubes,IEEE Conf.Record 1966 8th Conf.Tube Techniques,20 September 1966,pages 143-147”には、フラット形の電界放出カソード上での円錐形の電子放出素子の位置を確定するために球形の粒子をランダムに分散させる方法が記載されている。
厚いアノードを備えた電子放出ダイオードの形成において、Ｓｐｉｎｄｔ等の方法によれば、初めに下側モリブデン層の上に配設された中間誘電体層の上に上側モリブデン層が設けられた構造が形成される。上側モリブデン層の上に球形のポリスチレン粒子を分散させ、その後通常はアルミナである「レジスト」が構造の上部に被着される。球形の粒子を除去して、レジストの球形粒子のあった部分を除去することにより、レジストを貫通する概ね円形の開口部が形成される。
上側モリブデン及び中間誘電体層をレジスト開口部を通してエッチングし、上側モリブデン層及び誘電体層を貫通して下側モリブデン層に概ね達する対応する概ね円形の開口部を形成する。次いで誘電体開口部を通して下側モリブデン層の上にモリブデンを蒸着することにより、１つの開口部につき１個の円錐形の電子放出素子（または電子放出コーン）を中間誘電体層の開口部の中に形成する。
Ｓｐｉｎｄｔ等による製造プロセスは、非常に興味深い。しかし、球形粒子を表面上に単に分散させると、球体の分布は偶然の法則に従った状態となる。球体の中には互いに接触して、円錐形でない、つまり通常望ましくない形状の電子放出素子となるものもあり得る。
詳述すると、上側モリブデンにおける円形の開口部を通してモリブデンを蒸着させて、下側モリブデン層上に電子放出コーンを形成する際に、球体の接触の結果として形成された非円形の開口部がＳｐｉｎｄｔ等の上側モリブデン層に存在する場合、蒸着されたモリブデンは、上側モリブデン層内の各非円形開口部を通過して下側モリブデン層上に堆積し、円錐の群が互いに接合し、１又は２以上の先端部を有するような形状の電子放出構造が形成される。円錐形の電子放出素子を形成するように適合された製造プロセスでは、接合した円錐構造の先端では、通常電子放出コーンの先端部ほど鋭くない。従って、接合コーン構造に対するオン電圧は、円錐構造に対するオン電圧より通常高くなってしまう。これにより電子放出領域において一様でない電子放出が生ずる。
粒子間の空間において形成された層を貫通する開口部を形成するために粒子を用いる時、特に、高度に一様な電子放出を提供することが必要な面積方向配置型電子エミッタにおける電子放出素子の位置を確定するためにこのように形成される開口部が用いられる時、粒子の表面上への分散は、表面上で粒子が互いに接触するのを徹底して抑制するような技術に従って行われるのが望ましい。
発明の概要の開示
本発明は、粒子間の空間において形成された層を貫通する開口部の形成において、表面に粒子を分散させるためのこのような技術を用いる。本発明では、流体に懸濁された粒子を適切な強度の電界を加えながら表面上に蓄積させる。この手順は、通常一般に球形である粒子が荷電していることから、電気泳動的被着と称する。電気泳動的被着プロセスの性質のため、（ａ）粒子の表面密度が粒子の単層より著しく小さく、（ｂ）被着条件が適切に制御され、（ｃ）粒子及び被着表面が適切な特性を有しているという条件のもとで、粒子が被着表面上で互いに接触することが著しく抑制される。
電気泳動的に被着された粒子は、次いで、層における開口部の形成に用いられる。このような開口部は、面積方向配列型電子エミッタの電子放出素子の位置を確定するのに用いられるのが好ましい。粒子が互いに接触することが著しく抑制されているため、望ましくない形状に形成される電子放出素子のパーセンテージは著しく低下する。例えば、本発明の技術を電子放出素子を円錐形状に形成するためのプロセスにおいて用いると、望ましくない接合円錐構造として形成された電子放出素子のパーセンテージは著しく低いものとなる。従って、このようにして形成された電子エミッタは、高度に一様な電子放出を提供することができる。
更に詳述すると、本発明によれば、液体に懸濁された粒子は、始めに電界を加えられて、多数の粒子が液体に入れられた構造体の主表面に向かって移動し、その上に堆積する。この粒子は通常荷電している。電荷は、粒子が流体に懸濁される段階の前に粒子に与えてもよいが、粒子が流体に懸濁された時、流体内の粒子荷電成分によって与えることもできる。場合によっては、特に粒子に極性を与えることができ、電界が適切に非均一な収束性を有している場合、粒子は荷電されない。この流体は通常液体であるが気体でもあり得る。
このようにして粒子が堆積したこの構造は流体から取り出される。次いで構造の主表面上の少なくとも粒子の間の空間に固体材料が被着される。粒子の上に堆積された任意の材料と共に、多数の粒子が構造体から除去される。残った選択された固体材料は固体層を形成し、この固体層にはこのようにして除去された粒子のあった位置に多数の開口部が貫通している。
この構造は、通常下側の電気的に非絶縁性の領域及び上側の電気的に絶縁性の層を含む。後に説明するように、「電気的に非絶縁性の」とは、導電性または電気的に抵抗性であることを意味する。固体層は絶縁性層の上に配設される。固体層をエッチングマスクとして用いて、絶縁性層は固体層に貫通した開口部を通してエッチングされ、対応する誘電体開口部が絶縁層を通し下側非絶縁性領域に概ね達する形で形成される。このようにして形成された構造は様々な目的に用いることができる。
この構造は、好ましくはゲート制御式電子エミッタの一部として用いられる。この場合、電子放出素子は下側非絶縁性領域の上に形成される。各電子放出素子は誘電体開口部の対応する１つに少なくとも部分的に配置される。或る実施例では、固体層自体が電子エミッタのゲート層を形成する。別の実施例では、電気泳動的粒子被着を行う前に、構造体の絶縁性層と固体層との間に分離ゲート層を設ける。このゲート層は固体層の開口部を通してエッチングされ、ゲート層を貫通するゲート開口部が形成され、その後誘電体開口部及び電子放出素子が形成される。
更に別の実施例では、固体層が好ましくはゲート層を形成し、固体層における開口部がゲート開口部となっており、構造は絶縁性層と固体層との間に中間層を備えている。この中間層は電気泳動的被着の際に粒子が凝集するのを抑止する。これによって、特に固体層がゲート層である時、粒子の表面密度が高められる。この中間層は接着層としての役目も果たす。
最後に説明した例において、電気泳動的被着を行い、粒子の除去を行った後の構造のプロセシングは、ゲート開口部を通して中間層をエッチングし、対応する開口部を中間層を通して形成する過程を含む。次いでこの絶縁性層は、中間開口部及びゲート開口部を通してエッチングされ、対応する誘電体開口部を形成し、この誘電体開口部は絶縁性層を貫通し下側の電気的に非絶縁性の領域に達している。電気的に非絶縁性のエミッタ材料は、ゲート層の上及びゲート開口部を通して被着され、下側非絶縁性領域の上に電子放出素子を少なくとも部分的に形成する。ゲート層の上に堆積されたエミッタ材料の少なくとも一部は電気化学的に除去される。電気泳動的粒子被着を過剰なエミッタ材料の電気化学的除去と結びつけることにより、電子エミッタを非常に高い効率で形成することができる。
上述の何れかの方法で電子エミッタを形成することにより、電子放出素子の位置が、電気泳動的に被着された粒子の内の概ね中心にくることになる。この結果、電子放出が電子放出領域全体に亘って高度に一様となる。本発明は従来技術に対して実質的に進歩したものである。
【図面の簡単な説明】
第１ａ図〜第１ｉ図は、本発明により電気泳動的被着を用いたゲート制御式電子エミッタの製造における一連の工程を示す構造の断面図である。
第２ａ図〜第２ｉ図は、本発明による電気泳動的被着を用いたゲート制御式電子エミッタの製造における別の一連の工程を示す構造の断面図である。
第３ａ図〜第３ｉ図は、本発明による電気泳動的被着及び過剰なエミッタコーン材料の電気化学的除去を用いるゲート制御式電子エミッタの製造における別の一連の工程を示す構造の断面図である。
第４図は、第１ａ図〜第１ｉ図、第２ａ図〜第２ｉ図、又は第３ａ図〜第３ｉ図のプロセスにおける電気泳動的被着を実行するための装置の模式的な断面図である。
第５図は、本発明により製造された電気制御式電子エミッタを組み込んだフラットパネル形ＣＲＴディスプレイの構造の断面図である。
図面及び好適実施例の説明においては、同一の、若しくは非常に類似した要素には同一の符号を付して示してある。
好適実施例の説明
本発明は、ゲート制御式電界放出カソード用のゲート電極における開口部を確定するために、構造の表面に電気泳動的に分散された粒子を用いる。本発明により形成された各フィールドエミッタは、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、またはワークステーション用のフラットパネル形ＣＲＴモニタのフェースプレート上の燐光体領域を励起させるために適切なものである。
本明細書において用いる用語の定義を以下に説明する。「電気的に絶縁性の」（または「誘電体の」）なる表現は、抵抗率が１０10Ω／ｃｍ以上の材料を意味する。従って、「電気的に非絶縁性の」なる表現は、抵抗率が１０10Ω／ｃｍ以下の材料を意味する。電気的に非絶縁性の材料は（ａ）抵抗率が１Ω／ｃｍ未満の導電性材料と（ｂ）抵抗率が１〜１０10Ω／ｃｍの範囲にある抵抗性材料に分けられる。このようなカテゴリーは電界が１Ｖ／μｍ未満の時に決定される。
導電性材料（または導電体）の例には、金属、（例えば金属珪化物のような）金属−半導体化合物、及び金属−半導体共融物がある。導電性材料にはまた、中程度から高い濃度にドープされた（Ｎ型またはＰ型）半導体が含まれる。抵抗性材料には、真性半導体または低濃度ドープド（Ｎ型またはＰ型）半導体が含まれる。抵抗性材料の例にはこの他（ａ）サーメット（金属粒子が埋没されたセラミック）のような金属−絶縁体複合体（ｂ）グラファイト、アモルファスカーボン、または改質（即ちドーピングされた若しくはレーザ改質された）ダイヤモンド、（ｃ）シリコン−カーボン−窒素のようなある種のシリコン−カーボン化合物がある。
第１ａ図〜第１ｉ図（集合的に「第１図」）には、カソードのゲート層における開口部を確定する球形粒子を被着するために電気泳動技術を用いる本発明の技術によるゲート制御式電界放出カソードの製造のためのプロセスが示されている。第１図の製造プロセスの開始点は、通常セラミックまたはガラスからなる絶縁性基板２０である。第１ａ図を参照されたい。フィールドエミッタの支持体となる基板２０は基板上の形状となっている。フラット−パネルＣＲＴディスプレイにおいて、基板２０はバックプレートの少なくとも一部を構成する。
下側の電気的非絶縁性のエミッタ領域２２は第１ａ図に示すように基板２０の上に設けられる。第１ａ図には例示的に示されていないが、下側非絶縁性領域２２は通常下側導電性層と上側抵抗性層とからなる。下側導電性層は通常クロムまたはニッケルのような金属から形成される。上側抵抗性層は、通常サーメットまたは珪素−炭素−窒素化合物からなる。
下側非絶縁性領域２２の少なくとも下側導電性層は、通常行電極と称される平行なエミッタ電極ラインの群にパターン形成される。領域２２がこのように形成されている時、最終的な電界放出構造は、フラットパネルディスプレイにおいて燐光体を選択的に励起するために特に適切なものとなる。それにもかかわらず、領域２２は他の支持のパターンにパターン形成したり、パターン形成せずにおくこともできる。
概ね均一な絶縁性層２４は構造体の上部に設けられる。下側非絶縁性領域２２の形状によって、絶縁性層２４の一部が基板２０に接触し得る。層２４は、通常シリコン酸化物またはシリコン窒化物からなる。層２４の一部は、後にエミッタ／ゲート電極間誘電体となる。
絶縁性層２４の厚みは、後に形成される電子放出素子の先端部が層２４の上部より僅かに上にくる円錐形の形状になるように、十分に厚いものでなければならない。各電子放出コーンの高さは、後に説明するように、そのベース部の直径によって決まり、ベース部の直径は電子放出コーンのためのゲート開口部を確定するのに用いられる球形粒子の設計によって決定される。絶縁性層２４の厚みは、通常球形粒子の直径より僅かに大きい厚みである。絶縁性層の厚みの範囲は、通常０．１〜３μｍ、典型的には０．３〜０．３５μｍである。
開いた構造２０／２２／２４は、第１ｂ図に示す電気泳動的被着装置の流体２６の中に入れられる。構造２０／２２／２４は、電気泳動的被着装置の底板２８の上に配置され、流体２６の中に完全に入れられた形となっている。通常、流体２６は液体であり、好ましくはエタノールである。別法では、流体２６は窒素のようなガスであり得る。
固体球形粒子３０は流体２６に懸濁される。球形粒子３０は構造２０／２２／２４を流体２６の中に入れる前または入れた後に流体２６の中に導入され得る。粒子３０は荷電されており、典型的には負に荷電されている。第１ｂ図に示すのは、各球体３０が、少なくとも一つの二重負電荷を有する分子からなる例である。
球形粒子３０は通常ポリスチレンからなる。この場合、粒子３０上の各二重負電荷は、通常粒子３０にカルボキシル基を付加することによって生ずる。粒子３０の別材料には、ガラス（例えばシリコン酸化物）、ポリスチレン以外のポリマー（例えばラテックス）、及び水酸基（アルコール）、有機酸基、アミド基、及びスルホン化基のような官能基が付けられた（coated）ポリマーが含まれる。
粒子３０に電荷が与えられるのは、粒子が流体２６に導入される前または後であり得る。ポリスチレンのようなポリマーの場合は、粒子が流体２６の中に入れられる前に電荷を与える荷電した官能基が粒子３０に存在している。特に、ポリスチレンに付加されたカルボキシル基は、ポリスチレンを形成する前駆体の半導体の重合を終結させる。ガラス、及び通常電気的に中性である（電気的に帯電していない）他の材料の場合は、流体２６は適切な界面活性剤のような荷電誘導成分を含む。粒子３０が通常帯電していない材料からなる時、粒子３０は流体２６に導入される時に電荷を与えられる。
粒子３０がポリスチレンからなる時、粒子の直径は０．１〜３μｍ、典型的には０．３μｍである。平均粒径の標準偏差は通常ごく小さく１０％未満、典型的には２％未満である。流体２６及び球体３０はそれぞれエタノール及びポリスチレンからなる場合には、流体２６における球体３０の濃度は１０8〜１０4、典型的には１０11球体の個数／リットルである。
電源３２は、流体２６内の構造２０／２２／２４の上に配設された電極３４と下側非絶縁性領域２２との間に電圧ＶAを印加する。印加されたＶAは、流体２６の構造２０／２２／２４と電極３４との間の部分に電界ＥAを発生させる。非絶縁性領域２２は電気泳動的被着の際、正極、または、アノードとしての役目を果たす。上側電極３４は負の電極、つまりカソードである。従って、電界ＥAは正極２２から負極３４へ向かう方向である。
球形粒子３０が負に荷電されている場合、電界ＥAは構造２０／２２／２４と負の電極３４との間に存在する粒子３０を絶縁性層２４の方に向かって移動させる。粒子３０の中には層２４の上側表面に堆積するものもある。粒子３０が負に荷電していることから、粒子３０の層２４の上側表面上の特定の点における堆積については、層２４上の粒子３０の表面密度が粒子３０間の平均的な空間が粒子３０の単層より実質的に小さくなるだけの十分な低いレベルであるという条件のもとで、その粒子３０に近接した位置での他の粒子３０の蓄積が著しく抑制される。
また、粒子３０が層２４の上側表面上で他の粒子に接触することが抑制される程度は、粒子被着条件、被着表面上で行われる表面仕上げ過程を含む被着表面の特性、及び粒子３０に付いた官能基を含む粒子特性によって決まる。被着表面がきれいである時には、粒子凝集が通常少なくなる。
絶縁性層２４上での粒子堆積速度は、（他の要素の中では）印加される電圧ＶA（または電界ＥA）のレベル、及び流体２６内での粒子３０の密度によって決まる。電圧ＶAは、流体２６がエタノールからなるとき通常２〜１５ｃｍである電極間の間隔によって１〜３００Ｖの範囲で決まる。電極間隔は、フィールドエミッタの面積が大きくなるにつれて通常大きくなる。流体がエタノールで電極間隔が３〜１０ｃｍである場合には、電圧ＶAは５〜１００Ｖ、典型的には２０Ｖである。
粒子３０が絶縁性層２４の上側表面上に所望の粒子密度で堆積するために、粒子３０は十分な時間をかけて電界ＥAをかけられる。粒子３０の表面密度は通常１０7〜１０11粒子／ｃｍ2、典型的には５分間の被着時間で５×１０8粒子／ｃｍ2となる。球体３０上の負電荷が球体が互いに接触すること（及び球体が凝集すること）のを著しく抑制することから、粒子の表面密度は層２４の上で粒子が互いに接触しないようにするための何の手段も講じられない場合に許容されるレベルよりも著しく高いものとなり得る。
球形粒子３０は絶縁性層２４に強力に蒸着する。蒸着の仕組みに対しては、ファンデルワールス力も少なくとも部分的に寄与していると考えられている。所望の粒子堆積時間が過ぎると、層２４の上側表面上に粒子３０が蒸着した構造２０／２２／２４は電気泳動被着装置から取り出され、乾燥されて、第１ｃ図に示すような構造が形成される。
第１ｂ図及び第１ｃ図の実施例では、粒子３０がただ１つのタイプの材料（シリコン酸化物またはシリコン窒化物）で形成された被着表面（絶縁性層２４の上側表面）上に堆積している。しかし、以下に説明する第５図に示すように、粒子３０は異なるタイプの材料で作られた被着表面（または複数の被着面）上に堆積し得る。この場合、１つのタイプの材料からなる表面部分上での粒子表面密度と他の形の材料からなる隣接した表面部分又は近傍の表面部分の上での粒子密度とは著しく異なったものとなり得る。
例えば、本発明の電気泳動的被着技術が構造のある部分におけるクロム表面部分と、同時に構造の他の部分における絶縁性層２４のシリコン酸化物表面部分上で行われる時クロム表面部分上での粒子表面密度は、シリコン酸化物表面部分上での粒子の表面密度より著しく、通常は数倍高くなる。従って、電気泳動的粒子被着は、被着条件、被着表面の特性、被着表面の処理、粒子の特性、印加される電界、粒子３０が懸濁される流体３０の特性、及び流体２６における粒子３０の密度によって高度に選択的であり得る。
電気的に非絶縁性のゲート材料は構造体２０／２２／２４／３０の上部に、通常は絶縁性層２４の上側表面に対して概ね垂直な向きに被着される。ゲート材料は粒子３０の間の空間において層２４の上に堆積し、第１ｂ図ｉに示すようにゲート層３６Ａを形成する。ゲート材料の一部３６Ｂは同時に粒子３０の上側半分（半球）上に堆積する。
ゲート材料被着は、通常蒸着またはコリメートスパッタリングにより行われる。ゲート材料は普通クロム、ニッケル、モリブデン、チタン、タングステン、または金のような金属からなる。ゲート材料部分３６Ｂがゲート層３６Ａにブリッジするのを回避するため、ゲート材料の厚みは通常球体３０の平均半径よりも小さいものにされる。
固体粒子３０は、構造の他の部分を著しく損なわないようにする技術を用いて除去される。粒子３０がポリスチレンからなる時、粒子の除去のために通常機械的工程が用いられる。例えば、粒子３０は超音波／メガソニック処理によって取り除かれ得る。別法として球体３０の除去のために高圧水噴射を用いることもできる。粒子３０はまたキシレンのような溶媒に粒子を溶解することにより化学的に除去することもできる。
球体の除去のために、超音波／メガソニック処理が用いられる時、球体３０の大部分は超音波処理の間に除去される。超音波処理は、僅かな容量百分率（例えば１％）のＶａｌｔｒｏｎ ＳＰ２２００アルカリ性界面活性剤（２−メチルキシエタノール及び非イオン性界面活性剤）を含む脱イオン水のバスにウエハを入れ、このバスに１０分間超音波振動を与えることにより行われる。超音波バスからウエハを取り除いた後、ウエハを脱イオン水でリンスする。メガソニック処理は、固体３０の残りを除去するために超音波処理の後に行われ、通常小さい容量百分率（例えば０．５％）のＶａｌｔｒｏｎ ＳＰ２２００アルカリ界面活性剤を含む脱イオン水の別のバスにウエハを入れ、１５分間メガソニック振動をこのバスに与えることにより行われる。次いでウエハをメガソニックバスから取り出して、脱イオン水でリンスし、スピン乾燥する。
超音波処理及びメガソニック処理の両方において、粒子３０上の電荷を概ね中和する界面活性剤を、Ｖａｌｔｒｏｎ ＳＰ２２００界面活性剤の代わりに用いることができる。荷電中和界面活性剤には通常イオン性界面活性剤が含まれる。
粒子３０の除去の際、ゲート材料部分３６Ｂは取り除かれて、第１ｅ図の構造が形成される。ここでゲート開口部３８は、除去された粒子３０の位置においてゲート層３６Ａを貫通し絶縁性層２４に達している。各ゲート開口部３８は対応する除去された粒子３０と垂直方向に同心である。粒子３０は概ね球形であることから、ゲート開口部３８は概ね円形となる。
絶縁性層２４はゲート開口部３８を通してエッチングされ、対応する誘電体開口部（または誘電体開口空間）４０が形成される。この誘電体開口部は絶縁性層２４を貫通して下側非絶縁性領域２２に達している。電極間誘電体２４Ａが絶縁性層２４の残りの部分である第１ｆ図を参照されたい。このエッチングは、通常少なくとも部分的に等方性エッチングで行われている。この結果、誘電体開口部４０はゲート層３６Ａに僅かにアンダーカットした形態となる。各開口部４０は対応するゲート開口部３８と垂直方向に同心である。
リフトオフ層４２は、構造体を、リフトオフ材料源に対して、電極間誘電体層２４Ａの上側表面に対して概ね垂直な軸の周りに回転させながら、ゲート層３６Ａの上側表面に対して適切な角度、典型的には約４５度で適切なリフトオフ材料を蒸着することによりゲート層３６Ａ上に形成される。第１ｇ図を参照されたい。リフトオフ層４２の一部は、通常ゲート開口部３８のゲート層３６Ａのエッジ部をカバーしている。リフトオフ蒸着角度は誘電体開口空間４０における下側非絶縁性領域２２の上にリフトオフ材料が実質的に堆積しないような十分に低い角度に設定される。
リフトオフ材料は通常アルミニウムのような金属からなる。別形態では、リフトオフ材料は酸化アルミニウムのような誘電体であり得る。リフトオフ材料は金属／誘電体複合体であってもよい。リフトオフ材料の組成はその材料がゲート層３６Ａ、絶縁性層２４Ａ下側非絶縁性エミッタ領域２２、及び電子放出素子を形成する材料に対して選択的にエッチング可能であるものである限り特に重要ではない。
電気的に非絶縁性のエミッタコーン材料は、ゲート層３６Ａの上側表面に対して概ね垂直な向きに構造の上部に蒸着される。エミッタコーン材料は、リフトオフ層４２の上に堆積すると共に、ゲート開口部３８を通過して誘電体開口空間４０内の下側非絶縁性領域２２の上に堆積する。コーン材料が誘電体開口空間４２に入る際に通過する開口部は、コーン材料が非絶縁性領域２２の上に堆積するにつれて次第に閉じられていく。被着はこれらの開口部が完全に閉じられるまで行われる。この結果、誘電体開口部４０においてコーン材料が蓄積し、第１ｈ図に示すような各電子放出素子４４Ａが形成される。コーン材料の連続層４４Ｂもリフトオフ層４２上に同時に形成される。このコーン材料は通常モリブデン、ニッケル、クロム、またはニオブのような金属であるか、若しくは炭化チタンのような耐熱性金属炭化物である。
ここでリフトオフ層４２は適切なエッチング剤を用いて除去される。層４２の除去の際、過剰なコーン材料層４４Ｂも除去される。第１ｉ図に示すのはこのようにして形成された電子エミッタである。各電子放出素子４４Ａは対応するゲート開口部３８と垂直方向に同心であり、従ってゲート開口部３８を形成するのに用いられた球形粒子３０の位置と同心である。
粒子３０が（粒子の表面密度が粒子３０の単層よりも実質的に小さいという条件のもとで）粒子３０同士の接触を著しく抑制する電気泳動的技術によって粒子３０が絶縁性層２４上に分散されたことから、殆ど全ての電子放出素子４４Ａは、鋭い先端を有する単純な円錐形の形状である。２以上の形態３０が互いに接触することにより形成される、望ましくない接合円錐形状をもつ素子４４Ａはごく僅かである。電子放出素子４４Ａの素子ごとのオン電圧の違いは極僅かである。従って電子放出素子４４Ａによって占められている領域全体の電子放出の均一性は改善される。
ゲート層３６Ａは下側非絶縁領域２２のエミッタ行電極に対して垂直に伸びるゲートラインの群にパターニングされ得る。このゲートラインは列電極としての機能を果たす。ゲート層３６Ａに適切にパターン形成することによりフィールドエミッタは、ゲート層３６Ａの一部に接触し、行電極に対して垂直に伸びる独立した列電極を備えた形となり得る。このゲートパターン形成及び（これが含められる場合）列電極形成は、通常円錐形電子放出素子４４Ａの形成の前に行われるが、第１ｉ図に示す段階の後に行うこともできる。
エミッタコーンの形成の直前にコーン被着のためのリフトオフ層を形成する代わりに、コーン被着リフトオフ層を、本発明の技術に従ってゲート制御式電界放出カソードを形成する工程の早い段階で形成することもできる。第２ａ図〜第２ｉ図（「集合的に第２図」）は、このような製造工程を示す図であり、ここではカソードのゲート層上に設けられるリフトオフ層の開口部を確定する球形粒子の被着のために、電気泳動的技術が用いられている。第２ａ図に示すように、初めの構造は、第２ａ図に示すように設けられた基板２０、下側非絶縁性領域２２、及び絶縁性層２４を含む。
また、非絶縁性ゲート層５０は絶縁性層２４の上に配設されている。ゲート層５０は、通常クロム、ニッケル、モリブデン、チタン、またはタングステンのような金属であり、例えば蒸着、スパッタリング、及びＣＶＤのような種々の方法により形成することができる。第１図の工程とは異なり、第２図のプロセスにおけるゲート材料被着は絶縁性層２４の上側表面に対して実質的に垂直な向きに行う必要はない。ゲート層５０はゲート層３６Ａについて以前に説明したような方法でパターン形成される。即ちゲート層は列電極としての役目を果たし、エミッタ行電極に対して垂直に延在する平行なゲートラインにパターン形成され得る。別形態では、層５０が適切にパターニングされ、構造が層５０の一部と接触する独立した列電極を備えた形態で設けられ得る。
構造２０／２２／２４／５０は、以前に説明した電気泳動被着装置の流体２６の中に入れられる。第２ｂ図を参照されたい。固体球形粒子３０は流体２６の中に懸濁される。電源３２から供給された電圧ＶAが前述のように下側非絶縁性領域２２と電極３４との間に印加される。別形態では、電気泳動被着の際に、正極、つまりアノードとして、非絶縁性領域２２の代わりにゲート層５０を用いることができる。この場合、印加される電圧ＶAは、１〜３００Ｖではなく１〜１００Ｖ、典型的には１５Ｖである。
電界ＥAがかけられた時、ゲート層５０と負極３４との間にある粒子３０はゲート層５０に向かって移動する。粒子３０の一部は第１図のプロセスにおいて粒子３０が絶縁性層２４に堆積するのと同様に、ゲート層５０の上に堆積する。詳述すると、粒子３０は概ね互いに接触することなく、ゲート層５０の上に堆積する。所望の堆積時間が経過すると、構造２０／２２／２４／５０がゲート層５０の上側表面上に粒子３０が付着しており、電気泳動被着装置から取り出して乾燥すると、第２ｃ図に示すような構造が形成される。
適切なリフトオフ材料を絶縁性層２４の上側表面に対して概ね垂直な向きに構造の上部に蒸着する。リフトオフ材料の層５２Ａは、第２ｂ図に示すように粒子３０の間の空間においてゲート層５０の上に堆積する。リフトオフ材料の部分５２Ｂは通常球体３０の上側半分の上に堆積する。
リフトオフ材料部分５２Ｂがリフトオフ層５２Ａにブリッジするのを回避するため、リフトオフ材料の厚みは、球体の平均半径よりも通常小さいものにされる。ゲート層３６Ａの厚みが球体の平均半径よりも小さいものである必要がある第１図のプロセスとは異なり、第２図のプロセスにおいては望ましくないブリッジの回避は、第１図のプロセスよりゲート層の厚みについて制約を与えない。これは特に、リフトオフ層５２Ａをエッチングマスクとして用いて層５０を貫通するゲート開口部を形成するために行う、以下に説明するエッチングの際に、リフトオフ層５２よりゲート層５０を選択的にエッチングする、即ちゲート材料がエッチングされる量がリフトオフ材料より大きい場合に特に当てはまることである。所与の球体の直径に対して、第２図のプロセスにおけるゲート層５０は、従って第１図のプロセスにおけるゲート３６よりも厚くなり得る。
第２図のプロセスにおける粒子３０は、第１図のプロセスにおいて用いられた技術によって構造から除去される。粒子除去の際、リフトオフ材料部分５２Ｂは除去される。このようにして第２ｄ図の構造が形成される。ここで開口部５４は除去された粒子３０の位置において、リフトオフ層５２Ａを貫通している。下部開口部５４は、対応する除去された球体３０と垂直方向に同心である。
ゲート層５０は開口部５４を通してエッチングされ、対応するゲート開口部５６が形成される。このゲート開口部は層５０を貫通して下側非絶縁性領域２４に達している。要素５０Ａがゲート層５０のパターン形成された残りの部分である、第２ｆ図を参照されたい。このエッチングは、ゲート開口部５６の横方向の面積が対応する開口部５４の横方向の面積と同じか、それ以上となるように行われ得る。第２ｆ図に示すのは、各ゲート開口部５６が対応する開口部５４より横方向の幅が広くなっており、従ってリフトオフ層５４Ａが僅かにアンダーカットされている例である。いずれの場合でも、各ゲート開口部５６は対応する開口部５４と垂直方向に同心である。
絶縁性層２４は開口部５４及び５６を通してエッチングされ、対応する誘電体開口部５６が形成される。この誘電体開口部は層２４を貫通し下側非絶縁性領域２２に達している。要素２４Ｂがここでは絶縁性層２４の残りの部分である。第２ｇ図を参照されたい。このエッチングは通常少なくとも部分的に等方性エッチングで行われ、これによって誘電体開口部５８がゲート層５０Ａに僅かにアンダーカットしている形態となる。各誘電体開口空間５８は、対応する開口部５４及び５６と垂直方向に同心である。
電気的に非絶縁性のエミッタコーン材料が、第１図のプロセスについて前に説明したのと同様に被着される。このエミッタコーン材料は、誘電体開口空間５８に入り、第２ｈ図に示すように、下側非絶縁性領域２２の上に電子放出素子６０Ａを形成する。各電子放出素子６０Ａは、対応するゲート開口部５６と垂直方向に同心である。このコーン材料はまた、リフトオフ層５２Ａの上にも堆積し、コーン材料の連続層６０Ｂを形成する。このエミッタコーン材料は、やはりモリブデン、ニッケル、クロム、またはニオブのような金属、若しくは炭化チタンのような耐熱性金属炭化物である。
リフトオフ層５２Ａはコーン材料層６０Ｂが除去される際に適切なエッチング剤で除去される。このようにして形成された構造は第２ｉ図に示されている。
第１図のプロセスにおける電子放出素子４４Ａの場合と同様に、第２図のプロセスにおける各電子放出素子６０Ａは対応する除去された球体３０の位置と垂直方向に同心である。第１ｉ図のフィールドエミッタにおける殆ど全ての電子放出素子４４Ａが円錐形であるのと実質的に同じ理由で、第２ｉ図のフィールドエミッタにおける電子放出素子６０Ａの殆ど全ては円錐形状である。最終的には、この電子放出素子６０Ａにより、電子放出領域全体に亘って高度に均一な電子放出が得られる。
様々な機能を果たす１または２以上の中間層は、球形粒子３０の被着及びゲート層の形成の前に絶縁性層２４の上に設けられ得る。例えば、粒子３０を中間層の上に堆積させた時に、このような中間層によってその粒子の凝集を防止することにより粒子３０の分布を改善することができる。中間層はまた、通常接着機能を発揮する。即ち、中間層はゲート層自体が電極間誘電材料によく接着しない場合でも、絶縁性層２４とゲート層の双方によく接着する。中間層が非絶縁性の材料からなる時、この中間層はゲート電極の一部を構成する。
第３ａ図〜第３ｉ図（集合的に「第３図」）に示すのは、実質的に粒子の凝集を防止する中間層上に球形粒子３０を被着するために電気泳動的技術を用いる本発明によるゲート制御式電界放出カソードの形成のためのプロセスである。この第３図のプロセスは、ここでは第３ａ図として示されている第１ａ図の構造２０／２２／２４から開始される。
中間層６２は、第３ｂ図に示すように比較的均一な厚みで絶縁性層２４の上に被着される。中間層６２は通常層２４によく接着し、また後に層６２の上に被着されるゲート材料にもよく接着する材料からなる。
中間層６２がない場合、絶縁性層２４の表面上に欠陥が存在することがあるが、この欠陥が原因で、球形粒子３０が電気泳動的に層２４の上に被着された時に球形粒子３０の凝集が発生し得る。層２４がこのような表面欠陥を有していない場合でも、層２４では、中間層６２がない場合、層２４上への電気泳動的粒子被着の際の粒子３０の凝集が発生し得る。
中間層６２が粒子３０の層６２上への電気泳動的被着の際に凝集するのを著しく抑止する材料からなる。中間層６２が絶縁性層２４の上層をなしていることから、層６２を用いることにより、電気泳動的粒子被着の際の凝集の問題を実質的に解決することができる。粒子凝集を防止することによって、粒子表面密度は高くなり得る。
中間層６２は、所望の接着及び凝集防止特性によって、電気的に非絶縁性の材料または電気的に絶縁性の材料からなり得る。層６２は通常好ましくはクロムである金属からなり、厚みは５〜１０ｎｍ、典型的には７．５ｎｍである。我々の指示に従って行われた実験によって証明されたように、微少な電気泳動的に被着されたポリスチレン球体の、新たに被着されたクロム表面上での凝集の発生は、特にシリコン酸化物表面が追加の処理を受けている場合、通常のシリコン酸化物表面上でのこのような粒子の凝集発生と比較して著しく少ない。中間層６２を形成するためにクロムを使用することにより、絶縁性層２４がシリコン酸化物からなる時の電気泳動的被着の際に発生する粒子凝集より、粒子凝集の発生を著しく低減させることができる。クロムはまた、シリコン酸化物にもよく接着する。層６２が金属からなるため、層６２の一部は、後にゲート電極の一部を構成する。
球形粒子３０は、中間層６２の上に電気泳動的に被着される。第３ｃ図を参照されたい。電気泳動的被着は、以前に説明したのとほぼ同様に行われる。層６２は被着アノードとして用いられる。この結果、印加される電圧ＶAを１〜１００Ｖの範囲まで低下させることができる。層６２上での粒子の表面密度は通常約５×１０8粒子／ｃｍ2である。
粒子の電気泳動的被着が終了した後、電気的に非絶縁性のゲート材料が、二段階で、絶縁性層２４の上側表面に対して概ね垂直な向きに構造の上部に被着される。被着の両段階は、通常コリメート蒸着により行われる。第１被着段階におけるゲート材料は、第２被着ゲート材料とは異なったものである。
第１被着段階のゲート材料は、粒子３０の間の空間において中間層６２の上に堆積し、第３ｂ図に示すように比較的均一のゲートサブレイヤ６４Ａを形成する。第１段階材料の一部６４Ｂは、同時に球体３０の上側半分の上にも堆積する。第２段階でのゲート材料は、粒子３０の間の空間においてゲートサブレイヤ６４Ａの上に堆積して、比較的均一な厚みの別のゲートサブレイヤ６６Ａを形成する。第２段階の材料の一部６６Ｂは、ゲートサブレイヤ６６Ａの形成の際に、第１段階の部分６４Ｂの上に堆積する。
第１段階ゲート材料は、クロム、モリブデン、チタン、またはタングステンであり得る。中間層６２がクロムからなる時、第１段階ゲート材料は、通常クロムからなり、２．５〜７．５ｎｍの厚み、典型的には５ｎｍの厚みに被着される。ゲートサブレイヤ６４Ａのクロムによって、ゲートサブレイヤ６６Ａの接着性が改善される。第２段階ゲート材料は通常金からなり、２０〜５０ｎｍの厚み、典型的には３０ｎｍの厚みに被着される。
球体３０は、第１図のプロセスにおいて使用された技術の１つを用いて除去され、ゲート材料部分６４Ｂ及び６６Ｂも除去される。第３ｅ図に示すのはこのようにして形成された構造である。ゲートサブレイヤ６４Ａ及び６６Ａは、複合ゲート層６４Ａ／６６Ａを形成し、この複合ゲート層には、中間層６２に達する概ね円形のゲート開口部６８Ａが貫通している。ゲート開口部６８が第１及び第２段階の球体３０への材料の被着の際に形成され、第２段階のゲート材料のエッチングが不要であることから、微小な開口部、即ちその直径が典型的には１μｍ未満であるような開口部を正確にエッチングすることが困難である金が第２段階のゲート材料として適切なものとなる。
複合ゲート層６４Ａ／６６Ａをエッチングマスクとして用いて、中間層６２をゲート開口部６８を通して均一にエッチングし、絶縁性層２４に達する概ね円形の中間開口部７０を形成する。第３ｆ図に示すのはこのようにして形成された構造であり、ここでは要素６２Ａが中間層６２の残った部分である。残った中間層の部分６２Ａはゲート電極の下側部分を構成する。
通常塩素プラズマを用いて行われる中間層エッチングは、完全に等方性（実質的に一方向性）か、若しくは部分的に等方性で行われ得る。第３ｆ図に示すのは、中間層エッチングが、部分的に等方性エッチングで行われ、中間開口部７０がゲートサブレイヤ６４Ａに僅かにアンダーカットしている例である。各中間開口部７０は、対応するゲート開口部６８に垂直方向に整合しており、複合ゲート開口部６８／７０を形成している。
複合ゲート層６２Ａ／６４Ａ／６６Ａをエッチングマスクとして用いて、中間層２４の複合ゲート開口部６８／７０を通してエッチングし、下側非絶縁性エミッタ領域２２に達する誘電体開口空間（または誘電体開口部）７２を形成する。要素２４Ｃが絶縁性層２４の残りの部分である第３ｇ図を参照されたい。電極間誘電体のエッチングは、通常第１図のプロセスに関連して説明したのと同様な方法で行われ、誘電体開口空間７２が複合ゲート層６２Ａ／６４Ａ／６６Ａに僅かにアンダーカットする形態となる。
（２６Ａ）通常は第１図のプロセスに関連して説明した材料の何れかよりなる電気的に非絶縁性のエミッタコーン材料は、そのエミッタコーン材料がゲート材料とは異なったものであるという条件の下で、絶縁性層２４Ｃの上側表面に対して概ね垂直な向きに第３ｇ図の構造の上に蒸着される。このコーン材料は、ゲート層６２Ａ／６４Ａ／６６Ａの上に堆積すると共に、ゲート開口部６８／７０を通って、第３ｈ図に示すように対応する円錐形電子放出素子７４Ａを形成する。エミッタコーン材料の連続層７４Ｂも、同時にゲートサブレイヤ６６Ａの上に形成される。
過剰なコーン材料層７４Ｂは１９９７年３月５日に出願されたＳｐｉｎｄｔらによる国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／０２９７３号に記載の方法によって電気化学的に除去される。上記出願の明細書を本明細書と共に参照されたい。このようにして形成されたフィールドエミッタは第３ｉ図に示されている。電子放出コーン７４Ａはゲート開口部６８／７０として外部に露出されている。
各電子放出コーン７４Ａはその複合ゲート開口部６８／７０と垂直方向に整合されている。球体３０とのゲート開口部６８の位置を確定することから、コーン７４Ａの位置は球体３０によって決まる。また、各コーン７４Ａのベース部は概ね円形である。第１図のプロセスに従って製造された電子エミッタにおける高度に均一な電子放出の達成についての記述は、第３ｉ図のフィールドエミッタについても同様によく当てはまる。
第４図には電気泳動的被着装置がより詳細に示されている。下壁部２８は横壁部８２に結合され、流体２６用の容器が形成されている。第４図において電気泳動被着装置は、第２ｂ図の構造を含んでいる。ゲート層５０の独立した部分にパターン形成された状態を第４図に見ることができる。列電極８４は各ゲートラインの上に延在している。装置８６は列電極８４を通して延在し、ゲート部分の一部を露出している。第４図に示す電界放出カソードは、列電極８４と平行に走らせる集束電極８８を有している。
第４図に示すように、粒子３０のなかには、列電極８４の上に被着するものもある。列電極８４の、ゲート層８０の連続性を含む電極の特性は、粒子３０が電極８４から除去された時に著しく変化しないため、このことは害にはならない。同様に、粒子３０の一部は集束電極８８の上にやはり害にならない形で堆積し得る。
第５図には、本発明により形成された第２ｉ図（または第１ｉ図）のもののような、面積方向配列型フィールドエミッタを用いているフラットパネル形ＣＲＴディスプレイのコア能動領域の典型的な例が示されている。基板２０はＣＲＴディスプレイのバックプレートを構成している。下側非絶縁性エミッタ領域２２はバックプレート２０の内側表面上に設けられ、導電性層２２Ａとその上層をなす抵抗性層２２Ｂからなる。
列電極の１つ８４が第５図に示されている。各列電極アパーチャ８６は複数の円錐形電子放出素子６０Ａを露出している。
透明で典型的にはガラス製のフェースプレート９０が、バックプレート２０に対向配置されている。発光燐光体領域９２は、フェースプレート９０の内側表面上の、対応する列電極アパーチャ８６の正反対の位置に設けられており、その１つが第５図に示されている。薄い導電性の光反射層９４が通常アルミニウム性で、フェースプレート９０の内部表面に沿って燐光体領域９２の上層をなしている。電子放出素子６０Ａによって放出された電子は光反射層９４を通過し、燐光体領域９２を発光させて、フェースプレート９０の外部表面上に目に見える画像を作り出す。
フラットパネル形ＣＲＴディスプレイのコア能動領域は、典型的には第５図には示されていない他の構成要素を含む。例えば、フェースプレート９０の内側表面に沿ってブラックマトリクスが各燐光体領域９２を取り囲み、それを他の燐光体領域９２から横方向に隔離している。電極間誘電体層２４Ｂの上に設けられた集束用突条部（第４図に示す）は、電子の軌跡の制御を助ける。スペーサ壁は、バックプレート２０とフェースプレート９０との間の間隔を比較的一定に保つために用いられる。
本発明により形成されたフィールドエミッタは、第５図に示すような形のフラットパネル形ディスプレイに組み込んだ時、以下のように動作する。光反射層９４は電界放出カソードに対するアノードとしての役目を果たす。このアノードはゲート及びエミッタラインに対して正の高い電位に維持される。
（ａ）下側非絶縁性エミッタ領域２２におけるエミッタ行電極の選択された１つと、（ｂ）それとともに形成された列電極の選択された１つ、若しくはゲート層３６Ａ、５０Ａ、または６２Ａ／６４Ａ／６６Ａのコンタクト部分との間に適切な電圧が印加されると、前に選択されたゲート部分が、２つの選択されたゲート電極の交差する点における電子放出素子から電子を引き出し、このようにして生じた電子の流れの強さを制御する。印加されるゲート−カソード平行−プレート電界が、燐光体領域９２が高電位燐光体であるフラットパネル形ＣＲＴディスプレイにおける燐光体被覆フェースプレートで測定した時に、電流密度１ｍＡ／ｃｍ2において２０Ｖ／μｍ近くに達している時、所望のレベルの電子放出が発生する。引き出された電子が衝突した時、燐光体領域９２は発光する。
ここで、本発明を説明する際に用いた「下側」及び「上側」のような方向を示す用語は本発明の種々の構成要素がどのように組み合わされるのかを読み手が容易に理解できるようにするための枠組みを設定するために用いたものである。その実施においては、電子放出デバイスの構成要素はここで用いた方向を示す用語を意味する時とは異なる向きに向けられることもある。同じことは本発明において実施される製造工程についても当てはまる。方向を示す用語は説明を簡単にするために便宜上用いられているものであるため、本発明は、本明細書において使用した方向を指し示す用語が意味する方向とは異なる方向をもつ実施形態もその範囲に含む。
本発明の特定の実施例について説明したきたが、この実施例の説明は例示の目的で記述されたものであり、本発明の範囲をここに開示する実施例のみに限定しようとするものではない。例えば、粒子３０は二重負電荷以外の負電荷の量を供給する官能基を有し得る。また、負に荷電した粒子３０の代わりに正に荷電した球形粒子を用いることもできる。この場合、電極の極性は上述の説明とは逆になる。粒子３０を部分的に帯電した状態或いは部分的に帯電していない状態で用いることもできる。
第１図のプロセスにおいてゲート層３６Ａを形成するための、第２図のプロセスにおいてリフトオフ層５２Ａを形成するための、または第３図のプロセスにおいて複合ゲート層６４Ａ／６６Ａを形成するための球体３０上への固体材料の被着は、絶縁性層２４の上側表面に対して概ね垂直ではない向きで行うこともできる。例えば、固体材料は、高圧スパッタリングのような非コリメート式技術を用いたり、部分的にコリメート式技術を部分的に用いることによって被着することができる。粒子の電気泳動的被着を、ゲート層３６Ａ、リフトオフ層５２Ａ、及び複合ゲート層６４Ａ／６６Ａ以外の層における開口部を確定するために直接用いることもできる。
ゲート開口部がゲート層を貫通して下側非絶縁性エミッタ領域２２の上の絶縁性層に達しているような構造を形成した後、ゲート層の上に別の非絶縁性ゲート材料を選択的に被着することによって、ゲート層の厚みを厚くすることができる。この別のゲート材料の被着は、電気化学的技術を用いて行われ得る。一般に、この別のゲート材料の被着は、粒子３０の除去の前または後に行うことができる。
電気泳動的に被着された粒子は球形以外の形状を有していてもよい。第１図〜第３図のプロセスを、非円錐形状の電子放出素子を形成するように改変することもできる。第１図または第２図のプロセスにおける過剰なコーン材料層３６Ｂを、前に引用したＳｐｉｎｄｔ等による国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／０２９７３号に記載の技術を用いて電気化学的に除去することもできる。
フェースプレート９０と燐光体９２との間に配設され、例えばインジウム錫酸化物からなる透明な電気的に非絶縁性の層を、光反射層９４の代わりにアノードとして用いることができる。下側非絶縁性領域２２が構造を支持するに十分な厚みを有する連続層である場合は、基板２０を除去することができる。また、絶縁性基板２０の代わりに構造の支持体として役目を果たす、比較的厚い絶縁性層の上に薄い絶縁性層が設けられた複合基板を用いることができる。
粒子３０が電界ＥAを受けた時に被着表面上での粒子３０の凝集を防止するために、電気泳動的作用以外の仕組みを補助的に用いることができる。一般に、粒子３０が互いに接触することを著しく抑制する仕組みは、大方印加される電界ＥAが及ぼす影響からなる。
本発明の製造プロセスによって形成された電子エミッタは、フラットパネル形ＣＲＴディスプレイ以外のフラットパネル形装置を作るのに用いることができる。特に、本発明の電子エミッタは、ゲート制御式の電子源が必要な、一般に真空雰囲気の中で用いることができる。請求項に記載の本発明の範囲及び精神を逸脱することなく、当業者は本発明を様々に改変して実施したり別の用途において用いることができよう。
本出願は、Haven等による、同時出願の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／０９１９６に特に類似した内容を含んでいる。
利用分野
本発明は、開口部が貫通している固体層の形成に関するものである。本発明はまた、フラットパネル型ＣＲＴのような製品に適した、通常カソードと称する電子放出デバイスの製作における、このような層の利用にも関連する。
背景技術
電界放出カソード（或いはフィールドエミッタ）は、十分な強度の電界を受けた時電子を放出する。電界は、カソードから短い距離だけ離隔して配置された、通常アノードまたはゲート電極と称する電極とカソードとの間に適切な電圧を印加することにより生成される。
電界放出カソードをフラットパネル形ＣＲＴディスプレイで用いる時、カソードからの電界放出はかなり広い面積に亘って生ずる。電子放出領域は通常電子放出部分の二次元配列に分割され、配列の各部分は対応する発光部分の反対側に配置され、画素（又はピクセル）の一部、若しくは全てを形成する。各電子放出部分から放出された電子は、対応する発光部分に衝突し、発光部分から可視光線を放出させる。
通常、各発光部分の面積全体に亘って照度が均一（一定）であるのが望ましい。均一の照度を達成するための方法の１つが、対応する電子放出部分の面積全体に亘って電子が均一に放射されるような構成にすることである。このために通常は、僅かな距離だけ離隔して配置された小型の電子放出素子の群として各電子放出部分を形成する。
このような電子放出素子を含む電子放出デバイスの形状のため、種々の技術が研究されてきた。Ｓｐｉｎｄｔ等の“Microfabrication in Micron-Size Field-Emission Tubes,IEEE Conf.Record 1966 8th Conf.Tube Techniques,20 September 1966,pages 143-147”には、フラット形の電界放出カソード上での円錐形の電子放出素子の位置を確定するために球形の粒子をランダムに分散させる方法が記載されている。
厚いアノードを備えた電子放出ダイオードの形成において、Ｓｐｉｎｄｔ等の方法によれば、初めに下側モリブデン層の上に配設された中間誘電体層の上に上側モリブデン層が設けられた構造が形成される。上側モリブデン層の上に球形のポリスチレン粒子を分散させ、その後通常はアルミナである「レジスト」が構造の上部に被着される。球形の粒子を除去して、レジストの球形粒子のあった部分を除去することにより、レジストを貫通する概ね円形の開口部が形成される。
上側モリブデン及び中間誘電体層をレジスト開口部を通してエッチングし、上側モリブデン層及び誘電体層を貫通して下側モリブデン層に概ね達する対応する概ね円形の開口部を形成する。次いで誘電体開口部を通して下側モリブデン層の上にモリブデンを蒸着することにより、１つの開口部につき１個の円錐形の電子放出素子（または電子放出コーン）を中間誘電体層の開口部の中に形成する。
Ｓｐｉｎｄｔ等による製造プロセスは、非常に興味深い。しかし、球形粒子を表面上に単に分散させると、球体の分布は偶然の法則に従った状態となる。球体の中には互いに接触して、円錐形でない、つまり通常望ましくない形状の電子放出素子となるものもあり得る。
詳述すると、上側モリブデンにおける円形の開口部を通してモリブデンを蒸着させて、下側モリブデン層上に電子放出コーンを形成する際に、球体の接触の結果として形成された非円形の開口部がＳｐｉｎｄｔ等の上側モリブデン層に存在する場合、蒸着されたモリブデンは、上側モリブデン層内の各非円形開口部を通過して下側モリブデン層上に堆積し、円錐の群が互いに接合し、１又は２以上の先端部を有するような形状の電子放出構造が形成される。円錐形の電子放出素子を形成するように適合された製造プロセスでは、接合した円錐構造の先端では、通常電子放出コーンの先端部ほど鋭くない。従って、接合コーン構造に対するオン電圧は、円錐構造に対するオン電圧より通常高くなってしまう。これにより電子放出領域において一様でない電子放出が生ずる。
粒子間の空間において形成された層を貫通する開口部を形成するために粒子を用いる時、特に、高度に一様な電子放出を提供することが必要な面積方向配置型電子エミッタにおける電子放出素子の位置を確定するためにこのように形成される開口部が用いられる時、粒子の表面上への分散は、表面上で粒子が互いに接触するのを徹底して抑制するような技術に従って行われるのが望ましい。
発明の概要の開示
本発明は、粒子間の空間において形成された層を貫通する開口部の形成において、表面に粒子を分散させるためのこのような技術を用いる。本発明では、流体に懸濁された粒子を適切な強度の電界を加えながら表面上に蓄積させる。この手順は、通常一般に球形である粒子が荷電していることから、電気泳動的被着と称する。電気泳動的被着プロセスの性質のため、（ａ）粒子の表面密度が粒子の単層より著しく小さく、（ｂ）被着条件が適切に制御され、（ｃ）粒子及び被着表面が適切な特性を有しているという条件のもとで、粒子が被着表面上で互いに接触することが著しく抑制される。
電気泳動的に被着された粒子は、次いで、層における開口部の形成に用いられる。このような開口部は、面積方向配列型電子エミッタの電子放出素子の位置を確定するのに用いられるのが好ましい。粒子が互いに接触することが著しく抑制されているため、望ましくない形状に形成される電子放出素子のパーセンテージは著しく低下する。例えば、本発明の技術を電子放出素子を円錐形状に形成するためのプロセスにおいて用いると、望ましくない接合円錐構造として形成された電子放出素子のパーセンテージは著しく低いものとなる。従って、このようにして形成された電子エミッタは、高度に一様な電子放出を提供することができる。
更に詳述すると、本発明によれば、液体に懸濁された粒子は、始めに電界を加えられて、多数の粒子が液体に入れられた構造体の主表面に向かって移動し、その上に堆積する。この粒子は通常荷電している。電荷は、粒子が流体に懸濁される段階の前に粒子に与えてもよいが、粒子が流体に懸濁された時、流体内の粒子荷電成分によって与えることもできる。場合によっては、特に粒子に極性を与えることができ、電界が適切に非均一な収束性を有している場合、粒子は荷電されない。この流体は通常液体であるが気体でもあり得る。
このようにして粒子が堆積したこの構造は流体から取り出される。次いで構造の主表面上の少なくとも粒子の間の空間に固体材料が被着される。粒子の上に堆積された任意の材料と共に、多数の粒子が構造体から除去される。残った選択された固体材料は固体層を形成し、この固体層にはこのようにして除去された粒子のあった位置に多数の開口部が貫通している。
この構造は、通常下側の電気的に非絶縁性の領域及び上側の電気的に絶縁性の層を含む。後に説明するように、「電気的に非絶縁性の」とは、導電性または電気的に抵抗性であることを意味する。固体層は絶縁性層の上に配設される。固体層をエッチングマスクとして用いて、絶縁性層は固体層に貫通した開口部を通してエッチングされ、対応する誘電体開口部が絶縁層を通し下側非絶縁性領域に概ね達する形で形成される。このようにして形成された構造は様々な目的に用いることができる。
この構造は、好ましくはゲート制御式電子エミッタの一部として用いられる。この場合、電子放出素子は下側非絶縁性領域の上に形成される。各電子放出素子は誘電体開口部の対応する１つに少なくとも部分的に配置される。或る実施例では、固体層自体が電子エミッタのゲート層を形成する。別の実施例では、電気泳動的粒子被着を行う前に、構造体の絶縁性層と固体層との間に分離ゲート層を設ける。このゲート層は固体層の開口部を通してエッチングされ、ゲート層を貫通するゲート開口部が形成され、その後誘電体開口部及び電子放出素子が形成される。
更に別の実施例では、固体層が好ましくはゲート層を形成し、固体層における開口部がゲート開口部となっており、構造は絶縁性層と固体層との間に中間層を備えている。この中間層は電気泳動的被着の際に粒子が凝集するのを抑止する。これによって、特に固体層がゲート層である時、粒子の表面密度が高められる。この中間層は接着層としての役目も果たす。
最後に説明した例において、電気泳動的被着を行い、粒子の除去を行った後の構造のプロセシングは、ゲート開口部を通して中間層をエッチングし、対応する開口部を中間層を通して形成する過程を含む。次いでこの絶縁性層は、中間開口部及びゲート開口部を通してエッチングされ、対応する誘電体開口部を形成し、この誘電体開口部は絶縁性層を貫通し下側の電気的に非絶縁性の領域に達している。電気的に非絶縁性のエミッタ材料は、ゲート層の上及びゲート開口部を通して被着され、下側非絶縁性領域の上に電子放出素子を少なくとも部分的に形成する。ゲート層の上に堆積されたエミッタ材料の少なくとも一部は電気化学的に除去される。電気泳動的粒子被着を過剰なエミッタ材料の電気化学的除去と結びつけることにより、電子エミッタを非常に高い効率で形成することができる。
上述の何れかの方法で電子エミッタを形成することにより、電子放出素子の位置が、電気泳動的に被着された粒子の内の概ね中心にくることになる。この結果、電子放出が電子放出領域全体に亘って高度に一様となる。本発明は従来技術に対して実質的に進歩したものである。
【図面の簡単な説明】
第１ａ図〜第１ｉ図は、本発明により電気泳動的被着を用いたゲート制御式電子エミッタの製造における一連の工程を示す構造の断面図である。
第２ａ図〜第２ｉ図は、本発明による電気泳動的被着を用いたゲート制御式電子エミッタの製造における別の一連の工程を示す構造の断面図である。
第３ａ図〜第３ｉ図は、本発明による電気泳動的被着及び過剰なエミッタコーン材料の電気化学的除去を用いるゲート制御式電子エミッタの製造における別の一連の工程を示す構造の断面図である。
第４図は、第１ａ図〜第１ｉ図、第２ａ図〜第２ｉ図、又は第３ａ図〜第３ｉ図のプロセスにおける電気泳動的被着を実行するための装置の模式的な断面図である。
第５図は、本発明により製造された電気制御式電子エミッタを組み込んだフラットパネル形ＣＲＴディスプレイの構造の断面図である。
図面及び好適実施例の説明においては、同一の、若しくは非常に類似した要素には同一の符号を付して示してある。
好適実施例の説明
本発明は、ゲート制御式電界放出カソード用のゲート電極における開口部を確定するために、構造の表面に電気泳動的に分散された粒子を用いる。本発明により形成された各フィールドエミッタは、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、またはワークステーション用のフラットパネル形ＣＲＴモニタのフェースプレート上の燐光体領域を励起させるために適切なものである。
本明細書において用いる用語の定義を以下に説明する。「電気的に絶縁性の」（または「誘電体の」）なる表現は、抵抗率が１０10Ω／ｃｍ以上の材料を意味する。従って、「電気的に非絶縁性の」なる表現は、抵抗率が１０10Ω／ｃｍ以下の材料を意味する。電気的に非絶縁性の材料は（ａ）抵抗率が１Ω／ｃｍ未満の導電性材料と（ｂ）抵抗率が１〜１０10Ω／ｃｍの範囲にある抵抗性材料に分けられる。このようなカテゴリーは電界が１Ｖ／μｍ未満の時に決定される。
導電性材料（または導電体）の例には、金属、（例えば金属珪化物のような）金属−半導体化合物、及び金属−半導体共融物がある。導電性材料にはまた、中程度から高い濃度にドープされた（Ｎ型またはＰ型）半導体が含まれる。抵抗性材料には、真性半導体または低濃度ドープド（Ｎ型またはＰ型）半導体が含まれる。抵抗性材料の例にはこの他（ａ）サーメット（金属粒子が埋没されたセラミック）のような金属−絶縁体複合体（ｂ）グラファイト、アモルファスカーボン、または改質（即ちドーピングされた若しくはレーザ改質された）ダイヤモンド、（ｃ）シリコン−カーボン−窒素のようなある種のシリコン−カーボン化合物がある。
第１ａ図〜第１ｉ図（集合的に「第１図」）には、カソードのゲート層における開口部を確定する球形粒子を被着するために電気泳動技術を用いる本発明の技術によるゲート制御式電界放出カソードの製造のためのプロセスが示されている。第１図の製造プロセスの開始点は、通常セラミックまたはガラスからなる絶縁性基板２０である。第１ａ図を参照されたい。フィールドエミッタの支持体となる基板２０は基板上の形状となっている。フラット−パネルＣＲＴディスプレイにおいて、基板２０はバックプレートの少なくとも一部を構成する。
下側の電気的非絶縁性のエミッタ領域２２は第１ａ図に示すように基板２０の上に設けられる。第１ａ図には例示的に示されていないが、下側非絶縁性領域２２は通常下側導電性層と上側抵抗性層とからなる。下側導電性層は通常クロムまたはニッケルのような金属から形成される。上側抵抗性層は、通常サーメットまたは珪素−炭素−窒素化合物からなる。
下側非絶縁性領域２２の少なくとも下側導電性層は、通常行電極と称される平行なエミッタ電極ラインの群にパターン形成される。領域２２がこのように形成されている時、最終的な電界放出構造は、フラットパネルディスプレイにおいて燐光体を選択的に励起するために特に適切なものとなる。それにもかかわらず、領域２２は他の支持のパターンにパターン形成したり、パターン形成せずにおくこともできる。
概ね均一な絶縁性層２４は構造体の上部に設けられる。下側非絶縁性領域２２の形状によって、絶縁性層２４の一部が基板２０に接触し得る。層２４は、通常シリコン酸化物またはシリコン窒化物からなる。層２４の一部は、後にエミッタ／ゲート電極間誘電体となる。
絶縁性層２４の厚みは、後に形成される電子放出素子の先端部が層２４の上部より僅かに上にくる円錐形の形状になるように、十分に厚いものでなければならない。各電子放出コーンの高さは、後に説明するように、そのベース部の直径によって決まり、ベース部の直径は電子放出コーンのためのゲート開口部を確定するのに用いられる球形粒子の設計によって決定される。絶縁性層２４の厚みは、通常球形粒子の直径より僅かに大きい厚みである。絶縁性層の厚みの範囲は、通常０．１〜３μｍ、典型的には０．３〜０．３５μｍである。
開いた構造２０／２２／２４は、第１ｂ図に示す電気泳動的被着装置の流体２６の中に入れられる。構造２０／２２／２４は、電気泳動的被着装置の底板２８の上に配置され、流体２６の中に完全に入れられた形となっている。通常、流体２６は液体であり、好ましくはエタノールである。別法では、流体２６は窒素のようなガスであり得る。
固体球形粒子３０は流体２６に懸濁される。球形粒子３０は構造２０／２２／２４を流体２６の中に入れる前または入れた後に流体２６の中に導入され得る。粒子３０は荷電されており、典型的には負に荷電されている。第１ｂ図に示すのは、各球体３０が、少なくとも一つの二重負電荷を有する分子からなる例である。
球形粒子３０は通常ポリスチレンからなる。この場合、粒子３０上の各二重負電荷は、通常粒子３０にカルボキシル基を付加することによって生ずる。粒子３０の別材料には、ガラス（例えばシリコン酸化物）、ポリスチレン以外のポリマー（例えばラテックス）、及び水酸基（アルコール）、有機酸基、アミド基、及びスルホン化基のような官能基が付けられた（coated）ポリマーが含まれる。
粒子３０に電荷が与えられるのは、粒子が流体２６に導入される前または後であり得る。ポリスチレンのようなポリマーの場合は、粒子が流体２６の中に入れられる前に電荷を与える荷電した官能基が粒子３０に存在している。特に、ポリスチレンに付加されたカルボキシル基は、ポリスチレンを形成する前駆体の半導体の重合を終結させる。ガラス、及び通常電気的に中性である（電気的に帯電していない）他の材料の場合は、流体２６は適切な界面活性剤のような荷電誘導成分を含む。粒子３０が通常帯電していない材料からなる時、粒子３０は流体２６に導入される時に電荷を与えられる。
粒子３０がポリスチレンからなる時、粒子の直径は０．１〜３μｍ、典型的には０．３μｍである。平均粒径の標準偏差は通常ごく小さく１０％未満、典型的には２％未満である。流体２６及び球体３０はそれぞれエタノール及びポリスチレンからなる場合には、流体２６における球体３０の濃度は１０8〜１０4、典型的には１０11球体の個数／リットルである。
電源３２は、流体２６内の構造２０／２２／２４の上に配設された電極３４と下側非絶縁性領域２２との間に電圧ＶAを印加する。印加されたＶAは、流体２６の構造２０／２２／２４と電極３４との間の部分に電界ＥAを発生させる。非絶縁性領域２２は電気泳動的被着の際、正極、または、アノードとしての役目を果たす。上側電極３４は負の電極、つまりカソードである。従って、電界ＥAは正極２２から負極３４へ向かう方向である。
球形粒子３０が負に荷電されている場合、電界ＥAは構造２０／２２／２４と負の電極３４との間に存在する粒子３０を絶縁性層２４の方に向かって移動させる。粒子３０の中には層２４の上側表面に堆積するものもある。粒子３０が負に荷電していることから、粒子３０の層２４の上側表面上の特定の点における堆積については、層２４上の粒子３０の表面密度が粒子３０間の平均的な空間が粒子３０の単層より実質的に小さくなるだけの十分な低いレベルであるという条件のもとで、その粒子３０に近接した位置での他の粒子３０の蓄積が著しく抑制される。
また、粒子３０が層２４の上側表面上で他の粒子に接触することが抑制される程度は、粒子被着条件、被着表面上で行われる表面仕上げ過程を含む被着表面の特性、及び粒子３０に付いた官能基を含む粒子特性によって決まる。被着表面がきれいである時には、粒子凝集が通常少なくなる。
絶縁性層２４上での粒子堆積速度は、（他の要素の中では）印加される電圧ＶA（または電界ＥA）のレベル、及び流体２６内での粒子３０の密度によって決まる。電圧ＶAは、流体２６がエタノールからなるとき通常２〜１５ｃｍである電極間の間隔によって１〜３００Ｖの範囲で決まる。電極間隔は、フィールドエミッタの面積が大きくなるにつれて通常大きくなる。流体がエタノールで電極間隔が３〜１０ｃｍである場合には、電圧ＶAは５〜１００Ｖ、典型的には２０Ｖである。
粒子３０が絶縁性層２４の上側表面上に所望の粒子密度で堆積するために、粒子３０は十分な時間をかけて電界ＥAをかけられる。粒子３０の表面密度は通常１０7〜１０11粒子／ｃｍ2、典型的には５分間の被着時間で５×１０8粒子／ｃｍ2となる。球体３０上の負電荷が球体が互いに接触すること（及び球体が凝集すること）のを著しく抑制することから、粒子の表面密度は層２４の上で粒子が互いに接触しないようにするための何の手段も講じられない場合に許容されるレベルよりも著しく高いものとなり得る。
球形粒子３０は絶縁性層２４に強力に蒸着する。蒸着の仕組みに対しては、ファンデルワールス力も少なくとも部分的に寄与していると考えられている。所望の粒子堆積時間が過ぎると、層２４の上側表面上に粒子３０が蒸着した構造２０／２２／２４は電気泳動被着装置から取り出され、乾燥されて、第１ｃ図に示すような構造が形成される。
第１ｂ図及び第１ｃ図の実施例では、粒子３０がただ１つのタイプの材料（シリコン酸化物またはシリコン窒化物）で形成された被着表面（絶縁性層２４の上側表面）上に堆積している。しかし、以下に説明する第５図に示すように、粒子３０は異なるタイプの材料で作られた被着表面（または複数の被着面）上に堆積し得る。この場合、１つのタイプの材料からなる表面部分上での粒子表面密度と他の形の材料からなる隣接した表面部分又は近傍の表面部分の上での粒子密度とは著しく異なったものとなり得る。
例えば、本発明の電気泳動的被着技術が構造のある部分におけるクロム表面部分と、同時に構造の他の部分における絶縁性層２４のシリコン酸化物表面部分上で行われる時クロム表面部分上での粒子表面密度は、シリコン酸化物表面部分上での粒子の表面密度より著しく、通常は数倍高くなる。従って、電気泳動的粒子被着は、被着条件、被着表面の特性、被着表面の処理、粒子の特性、印加される電界、粒子３０が懸濁される流体３０の特性、及び流体２６における粒子３０の密度によって高度に選択的であり得る。
電気的に非絶縁性のゲート材料は構造体２０／２２／２４／３０の上部に、通常は絶縁性層２４の上側表面に対して概ね垂直な向きに被着される。ゲート材料は粒子３０の間の空間において層２４の上に堆積し、第１ｂ図ｉに示すようにゲート層３６Ａを形成する。ゲート材料の一部３６Ｂは同時に粒子３０の上側半分（半球）上に堆積する。
ゲート材料被着は、通常蒸着またはコリメートスパッタリングにより行われる。ゲート材料は普通クロム、ニッケル、モリブデン、チタン、タングステン、または金のような金属からなる。ゲート材料部分３６Ｂがゲート層３６Ａにブリッジするのを回避するため、ゲート材料の厚みは通常球体３０の平均半径よりも小さいものにされる。
固体粒子３０は、構造の他の部分を著しく損なわないようにする技術を用いて除去される。粒子３０がポリスチレンからなる時、粒子の除去のために通常機械的工程が用いられる。例えば、粒子３０は超音波／メガソニック処理によって取り除かれ得る。別法として球体３０の除去のために高圧水噴射を用いることもできる。粒子３０はまたキシレンのような溶媒に粒子を溶解することにより化学的に除去することもできる。
球体の除去のために、超音波／メガソニック処理が用いられる時、球体３０の大部分は超音波処理の間に除去される。超音波処理は、僅かな容量百分率（例えば１％）のＶａｌｔｒｏｎ ＳＰ２２００アルカリ性界面活性剤（２−メチルキシエタノール及び非イオン性界面活性剤）を含む脱イオン水のバスにウエハを入れ、このバスに１０分間超音波振動を与えることにより行われる。超音波バスからウエハを取り除いた後、ウエハを脱イオン水でリンスする。メガソニック処理は、固体３０の残りを除去するために超音波処理の後に行われ、通常小さい容量百分率（例えば０．５％）のＶａｌｔｒｏｎ ＳＰ２２００アルカリ界面活性剤を含む脱イオン水の別のバスにウエハを入れ、１５分間メガソニック振動をこのバスに与えることにより行われる。次いでウエハをメガソニックバスから取り出して、脱イオン水でリンスし、スピン乾燥する。
超音波処理及びメガソニック処理の両方において、粒子３０上の電荷を概ね中和する界面活性剤を、Ｖａｌｔｒｏｎ ＳＰ２２００界面活性剤の代わりに用いることができる。荷電中和界面活性剤には通常イオン性界面活性剤が含まれる。
粒子３０の除去の際、ゲート材料部分３６Ｂは取り除かれて、第１ｅ図の構造が形成される。ここでゲート開口部３８は、除去された粒子３０の位置においてゲート層３６Ａを貫通し絶縁性層２４に達している。各ゲート開口部３８は対応する除去された粒子３０と垂直方向に同心である。粒子３０は概ね球形であることから、ゲート開口部３８は概ね円形となる。
絶縁性層２４はゲート開口部３８を通してエッチングされ、対応する誘電体開口部（または誘電体開口空間）４０が形成される。この誘電体開口部は絶縁性層２４を貫通して下側非絶縁性領域２２に達している。電極間誘電体２４Ａが絶縁性層２４の残りの部分である第１ｆ図を参照されたい。このエッチングは、通常少なくとも部分的に等方性エッチングで行われている。この結果、誘電体開口部４０はゲート層３６Ａに僅かにアンダーカットした形態となる。各開口部４０は対応するゲート開口部３８と垂直方向に同心である。
リフトオフ層４２は、構造体を、リフトオフ材料源に対して、電極間誘電体層２４Ａの上側表面に対して概ね垂直な軸の周りに回転させながら、ゲート層３６Ａの上側表面に対して適切な角度、典型的には約４５度で適切なリフトオフ材料を蒸着することによりゲート層３６Ａ上に形成される。第１ｇ図を参照されたい。リフトオフ層４２の一部は、通常ゲート開口部３８のゲート層３６Ａのエッジ部をカバーしている。リフトオフ蒸着角度は誘電体開口空間４０における下側非絶縁性領域２２の上にリフトオフ材料が実質的に堆積しないような十分に低い角度に設定される。
リフトオフ材料は通常アルミニウムのような金属からなる。別形態では、リフトオフ材料は酸化アルミニウムのような誘電体であり得る。リフトオフ材料は金属／誘電体複合体であってもよい。リフトオフ材料の組成はその材料がゲート層３６Ａ、絶縁性層２４Ａ下側非絶縁性エミッタ領域２２、及び電子放出素子を形成する材料に対して選択的にエッチング可能であるものである限り特に重要ではない。
電気的に非絶縁性のエミッタコーン材料は、ゲート層３６Ａの上側表面に対して概ね垂直な向きに構造の上部に蒸着される。エミッタコーン材料は、リフトオフ層４２の上に堆積すると共に、ゲート開口部３８を通過して誘電体開口空間４０内の下側非絶縁性領域２２の上に堆積する。コーン材料が誘電体開口空間４２に入る際に通過する開口部は、コーン材料が非絶縁性領域２２の上に堆積するにつれて次第に閉じられていく。被着はこれらの開口部が完全に閉じられるまで行われる。この結果、誘電体開口部４０においてコーン材料が蓄積し、第１ｈ図に示すような各電子放出素子４４Ａが形成される。コーン材料の連続層４４Ｂもリフトオフ層４２上に同時に形成される。このコーン材料は通常モリブデン、ニッケル、クロム、またはニオブのような金属であるか、若しくは炭化チタンのような耐熱性金属炭化物である。
ここでリフトオフ層４２は適切なエッチング剤を用いて除去される。層４２の除去の際、過剰なコーン材料層４４Ｂも除去される。第１ｉ図に示すのはこのようにして形成された電子エミッタである。各電子放出素子４４Ａは対応するゲート開口部３８と垂直方向に同心であり、従ってゲート開口部３８を形成するのに用いられた球形粒子３０の位置と同心である。
粒子３０が（粒子の表面密度が粒子３０の単層よりも実質的に小さいという条件のもとで）粒子３０同士の接触を著しく抑制する電気泳動的技術によって粒子３０が絶縁性層２４上に分散されたことから、殆ど全ての電子放出素子４４Ａは、鋭い先端を有する単純な円錐形の形状である。２以上の形態３０が互いに接触することにより形成される、望ましくない接合円錐形状をもつ素子４４Ａはごく僅かである。電子放出素子４４Ａの素子ごとのオン電圧の違いは極僅かである。従って電子放出素子４４Ａによって占められている領域全体の電子放出の均一性は改善される。
ゲート層３６Ａは下側非絶縁領域２２のエミッタ行電極に対して垂直に伸びるゲートラインの群にパターニングされ得る。このゲートラインは列電極としての機能を果たす。ゲート層３６Ａに適切にパターン形成することによりフィールドエミッタは、ゲート層３６Ａの一部に接触し、行電極に対して垂直に伸びる独立した列電極を備えた形となり得る。このゲートパターン形成及び（これが含められる場合）列電極形成は、通常円錐形電子放出素子４４Ａの形成の前に行われるが、第１ｉ図に示す段階の後に行うこともできる。
エミッタコーンの形成の直前にコーン被着のためのリフトオフ層を形成する代わりに、コーン被着リフトオフ層を、本発明の技術に従ってゲート制御式電界放出カソードを形成する工程の早い段階で形成することもできる。第２ａ図〜第２ｉ図（「集合的に第２図」）は、このような製造工程を示す図であり、ここではカソードのゲート層上に設けられるリフトオフ層の開口部を確定する球形粒子の被着のために、電気泳動的技術が用いられている。第２ａ図に示すように、初めの構造は、第２ａ図に示すように設けられた基板２０、下側非絶縁性領域２２、及び絶縁性層２４を含む。
また、非絶縁性ゲート層５０は絶縁性層２４の上に配設されている。ゲート層５０は、通常クロム、ニッケル、モリブデン、チタン、またはタングステンのような金属であり、例えば蒸着、スパッタリング、及びＣＶＤのような種々の方法により形成することができる。第１図の工程とは異なり、第２図のプロセスにおけるゲート材料被着は絶縁性層２４の上側表面に対して実質的に垂直な向きに行う必要はない。ゲート層５０はゲート層３６Ａについて以前に説明したような方法でパターン形成される。即ちゲート層は列電極としての役目を果たし、エミッタ行電極に対して垂直に延在する平行なゲートラインにパターン形成され得る。別形態では、層５０が適切にパターニングされ、構造が層５０の一部と接触する独立した列電極を備えた形態で設けられ得る。
構造２０／２２／２４／５０は、以前に説明した電気泳動被着装置の流体２６の中に入れられる。第２ｂ図を参照されたい。固体球形粒子３０は流体２６の中に懸濁される。電源３２から供給された電圧ＶAが前述のように下側非絶縁性領域２２と電極３４との間に印加される。別形態では、電気泳動被着の際に、正極、つまりアノードとして、非絶縁性領域２２の代わりにゲート層５０を用いることができる。この場合、印加される電圧ＶAは、１〜３００Ｖではなく１〜１００Ｖ、典型的には１５Ｖである。
電界ＥAがかけられた時、ゲート層５０と負極３４との間にある粒子３０はゲート層５０に向かって移動する。粒子３０の一部は第１図のプロセスにおいて粒子３０が絶縁性層２４に堆積するのと同様に、ゲート層５０の上に堆積する。詳述すると、粒子３０は概ね互いに接触することなく、ゲート層５０の上に堆積する。所望の堆積時間が経過すると、構造２０／２２／２４／５０がゲート層５０の上側表面上に粒子３０が付着しており、電気泳動被着装置から取り出して乾燥すると、第２ｃ図に示すような構造が形成される。
適切なリフトオフ材料を絶縁性層２４の上側表面に対して概ね垂直な向きに構造の上部に蒸着する。リフトオフ材料の層５２Ａは、第２ｂ図に示すように粒子３０の間の空間においてゲート層５０の上に堆積する。リフトオフ材料の部分５２Ｂは通常球体３０の上側半分の上に堆積する。
リフトオフ材料部分５２Ｂがリフトオフ層５２Ａにブリッジするのを回避するため、リフトオフ材料の厚みは、球体の平均半径よりも通常小さいものにされる。ゲート層３６Ａの厚みが球体の平均半径よりも小さいものである必要がある第１図のプロセスとは異なり、第２図のプロセスにおいては望ましくないブリッジの回避は、第１図のプロセスよりゲート層の厚みについて制約を与えない。これは特に、リフトオフ層５２Ａをエッチングマスクとして用いて層５０を貫通するゲート開口部を形成するために行う、以下に説明するエッチングの際に、リフトオフ層５２よりゲート層５０を選択的にエッチングする、即ちゲート材料がエッチングされる量がリフトオフ材料より大きい場合に特に当てはまることである。所与の球体の直径に対して、第２図のプロセスにおけるゲート層５０は、従って第１図のプロセスにおけるゲート３６よりも厚くなり得る。
第２図のプロセスにおける粒子３０は、第１図のプロセスにおいて用いられた技術によって構造から除去される。粒子除去の際、リフトオフ材料部分５２Ｂは除去される。このようにして第２ｄ図の構造が形成される。ここで開口部５４は除去された粒子３０の位置において、リフトオフ層５２Ａを貫通している。下部開口部５４は、対応する除去された球体３０と垂直方向に同心である。
ゲート層５０は開口部５４を通してエッチングされ、対応するゲート開口部５６が形成される。このゲート開口部は層５０を貫通して下側非絶縁性領域２４に達している。要素５０Ａがゲート層５０のパターン形成された残りの部分である、第２ｆ図を参照されたい。このエッチングは、ゲート開口部５６の横方向の面積が対応する開口部５４の横方向の面積と同じか、それ以上となるように行われ得る。第２ｆ図に示すのは、各ゲート開口部５６が対応する開口部５４より横方向の幅が広くなっており、従ってリフトオフ層５４Ａが僅かにアンダーカットされている例である。いずれの場合でも、各ゲート開口部５６は対応する開口部５４と垂直方向に同心である。
絶縁性層２４は開口部５４及び５６を通してエッチングされ、対応する誘電体開口部５６が形成される。この誘電体開口部は層２４を貫通し下側非絶縁性領域２２に達している。要素２４Ｂがここでは絶縁性層２４の残りの部分である。第２ｇ図を参照されたい。このエッチングは通常少なくとも部分的に等方性エッチングで行われ、これによって誘電体開口部５８がゲート層５０Ａに僅かにアンダーカットしている形態となる。各誘電体開口空間５８は、対応する開口部５４及び５６と垂直方向に同心である。
電気的に非絶縁性のエミッタコーン材料が、第１図のプロセスについて前に説明したのと同様に被着される。このエミッタコーン材料は、誘電体開口空間５８に入り、第２ｈ図に示すように、下側非絶縁性領域２２の上に電子放出素子６０Ａを形成する。各電子放出素子６０Ａは、対応するゲート開口部５６と垂直方向に同心である。このコーン材料はまた、リフトオフ層５２Ａの上にも堆積し、コーン材料の連続層６０Ｂを形成する。このエミッタコーン材料は、やはりモリブデン、ニッケル、クロム、またはニオブのような金属、若しくは炭化チタンのような耐熱性金属炭化物である。
リフトオフ層５２Ａはコーン材料層６０Ｂが除去される際に適切なエッチング剤で除去される。このようにして形成された構造は第２ｉ図に示されている。
第１図のプロセスにおける電子放出素子４４Ａの場合と同様に、第２図のプロセスにおける各電子放出素子６０Ａは対応する除去された球体３０の位置と垂直方向に同心である。第１ｉ図のフィールドエミッタにおける殆ど全ての電子放出素子４４Ａが円錐形であるのと実質的に同じ理由で、第２ｉ図のフィールドエミッタにおける電子放出素子６０Ａの殆ど全ては円錐形状である。最終的には、この電子放出素子６０Ａにより、電子放出領域全体に亘って高度に均一な電子放出が得られる。
様々な機能を果たす１または２以上の中間層は、球形粒子３０の被着及びゲート層の形成の前に絶縁性層２４の上に設けられ得る。例えば、粒子３０を中間層の上に堆積させた時に、このような中間層によってその粒子の凝集を防止することにより粒子３０の分布を改善することができる。中間層はまた、通常接着機能を発揮する。即ち、中間層はゲート層自体が電極間誘電材料によく接着しない場合でも、絶縁性層２４とゲート層の双方によく接着する。中間層が非絶縁性の材料からなる時、この中間層はゲート電極の一部を構成する。
第３ａ図〜第３ｉ図（集合的に「第３図」）に示すのは、実質的に粒子の凝集を防止する中間層上に球形粒子３０を被着するために電気泳動的技術を用いる本発明によるゲート制御式電界放出カソードの形成のためのプロセスである。この第３図のプロセスは、ここでは第３ａ図として示されている第１ａ図の構造２０／２２／２４から開始される。
中間層６２は、第３ｂ図に示すように比較的均一な厚みで絶縁性層２４の上に被着される。中間層６２は通常層２４によく接着し、また後に層６２の上に被着されるゲート材料にもよく接着する材料からなる。
中間層６２がない場合、絶縁性層２４の表面上に欠陥が存在することがあるが、この欠陥が原因で、球形粒子３０が電気泳動的に層２４の上に被着された時に球形粒子３０の凝集が発生し得る。層２４がこのような表面欠陥を有していない場合でも、層２４では、中間層６２がない場合、層２４上への電気泳動的粒子被着の際の粒子３０の凝集が発生し得る。
中間層６２が粒子３０の層６２上への電気泳動的被着の際に凝集するのを著しく抑止する材料からなる。中間層６２が絶縁性層２４の上層をなしていることから、層６２を用いることにより、電気泳動的粒子被着の際の凝集の問題を実質的に解決することができる。粒子凝集を防止することによって、粒子表面密度は高くなり得る。
中間層６２は、所望の接着及び凝集防止特性によって、電気的に非絶縁性の材料または電気的に絶縁性の材料からなり得る。層６２は通常好ましくはクロムである金属からなり、厚みは５〜１０ｎｍ、典型的には７．５ｎｍである。我々の指示に従って行われた実験によって証明されたように、微少な電気泳動的に被着されたポリスチレン球体の、新たに被着されたクロム表面上での凝集の発生は、特にシリコン酸化物表面が追加の処理を受けている場合、通常のシリコン酸化物表面上でのこのような粒子の凝集発生と比較して著しく少ない。中間層６２を形成するためにクロムを使用することにより、絶縁性層２４がシリコン酸化物からなる時の電気泳動的被着の際に発生する粒子凝集より、粒子凝集の発生を著しく低減させることができる。クロムはまた、シリコン酸化物にもよく接着する。層６２が金属からなるため、層６２の一部は、後にゲート電極の一部を構成する。
球形粒子３０は、中間層６２の上に電気泳動的に被着される。第３ｃ図を参照されたい。電気泳動的被着は、以前に説明したのとほぼ同様に行われる。層６２は被着アノードとして用いられる。この結果、印加される電圧ＶAを１〜１００Ｖの範囲まで低下させることができる。層６２上での粒子の表面密度は通常約５×１０8粒子／ｃｍ2である。
粒子の電気泳動的被着が終了した後、電気的に非絶縁性のゲート材料が、二段階で、絶縁性層２４の上側表面に対して概ね垂直な向きに構造の上部に被着される。被着の両段階は、通常コリメート蒸着により行われる。第１被着段階におけるゲート材料は、第２被着ゲート材料とは異なったものである。
第１被着段階のゲート材料は、粒子３０の間の空間において中間層６２の上に堆積し、第３ｂ図に示すように比較的均一のゲートサブレイヤ６４Ａを形成する。第１段階材料の一部６４Ｂは、同時に球体３０の上側半分の上にも堆積する。第２段階でのゲート材料は、粒子３０の間の空間においてゲートサブレイヤ６４Ａの上に堆積して、比較的均一な厚みの別のゲートサブレイヤ６６Ａを形成する。第２段階の材料の一部６６Ｂは、ゲートサブレイヤ６６Ａの形成の際に、第１段階の部分６４Ｂの上に堆積する。
第１段階ゲート材料は、クロム、モリブデン、チタン、またはタングステンであり得る。中間層６２がクロムからなる時、第１段階ゲート材料は、通常クロムからなり、２．５〜７．５ｎｍの厚み、典型的には５ｎｍの厚みに被着される。ゲートサブレイヤ６４Ａのクロムによって、ゲートサブレイヤ６６Ａの接着性が改善される。第２段階ゲート材料は通常金からなり、２０〜５０ｎｍの厚み、典型的には３０ｎｍの厚みに被着される。
球体３０は、第１図のプロセスにおいて使用された技術の１つを用いて除去され、ゲート材料部分６４Ｂ及び６６Ｂも除去される。第３ｅ図に示すのはこのようにして形成された構造である。ゲートサブレイヤ６４Ａ及び６６Ａは、複合ゲート層６４Ａ／６６Ａを形成し、この複合ゲート層には、中間層６２に達する概ね円形のゲート開口部６８Ａが貫通している。ゲート開口部６８が第１及び第２段階の球体３０への材料の被着の際に形成され、第２段階のゲート材料のエッチングが不要であることから、微小な開口部、即ちその直径が典型的には１μｍ未満であるような開口部を正確にエッチングすることが困難である金が第２段階のゲート材料として適切なものとなる。
複合ゲート層６４Ａ／６６Ａをエッチングマスクとして用いて、中間層６２をゲート開口部６８を通して均一にエッチングし、絶縁性層２４に達する概ね円形の中間開口部７０を形成する。第３ｆ図に示すのはこのようにして形成された構造であり、ここでは要素６２Ａが中間層６２の残った部分である。残った中間層の部分６２Ａはゲート電極の下側部分を構成する。
通常塩素プラズマを用いて行われる中間層エッチングは、完全に等方性（実質的に一方向性）か、若しくは部分的に等方性で行われ得る。第３ｆ図に示すのは、中間層エッチングが、部分的に等方性エッチングで行われ、中間開口部７０がゲートサブレイヤ６４Ａに僅かにアンダーカットしている例である。各中間開口部７０は、対応するゲート開口部６８に垂直方向に整合しており、複合ゲート開口部６８／７０を形成している。
複合ゲート層６２Ａ／６４Ａ／６６Ａをエッチングマスクとして用いて、中間層２４の複合ゲート開口部６８／７０を通してエッチングし、下側非絶縁性エミッタ領域２２に達する誘電体開口空間（または誘電体開口部）７２を形成する。要素２４Ｃが絶縁性層２４の残りの部分である第３ｇ図を参照されたい。電極間誘電体のエッチングは、通常第１図のプロセスに関連して説明したのと同様な方法で行われ、誘電体開口空間７２が複合ゲート層６２Ａ／６４Ａ／６６Ａに僅かにアンダーカットする形態となる。
（２６Ａ）通常は第１図のプロセスに関連して説明した材料の何れかよりなる電気的に非絶縁性のエミッタコーン材料は、そのエミッタコーン材料がゲート材料とは異なったものであるという条件の下で、絶縁性層２４Ｃの上側表面に対して概ね垂直な向きに第３ｇ図の構造の上に蒸着される。このコーン材料は、ゲート層６２Ａ／６４Ａ／６６Ａの上に堆積すると共に、ゲート開口部６８／７０を通って、第３ｈ図に示すように対応する円錐形電子放出素子７４Ａを形成する。エミッタコーン材料の連続層７４Ｂも、同時にゲートサブレイヤ６６Ａの上に形成される。
過剰なコーン材料層７４Ｂは１９９７年３月５日に出願されたＳｐｉｎｄｔらによる国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／０２９７３号に記載の方法によって電気化学的に除去される。上記出願の明細書を本明細書と共に参照されたい。このようにして形成されたフィールドエミッタは第３ｉ図に示されている。電子放出コーン７４Ａはゲート開口部６８／７０として外部に露出されている。
各電子放出コーン７４Ａはその複合ゲート開口部６８／７０と垂直方向に整合されている。球体３０とのゲート開口部６８の位置を確定することから、コーン７４Ａの位置は球体３０によって決まる。また、各コーン７４Ａのベース部は概ね円形である。第１図のプロセスに従って製造された電子エミッタにおける高度に均一な電子放出の達成についての記述は、第３ｉ図のフィールドエミッタについても同様によく当てはまる。
第４図には電気泳動的被着装置がより詳細に示されている。下壁部２８は横壁部８２に結合され、流体２６用の容器が形成されている。第４図において電気泳動被着装置は、第２ｂ図の構造を含んでいる。ゲート層５０の独立した部分にパターン形成された状態を第４図に見ることができる。列電極８４は各ゲートラインの上に延在している。装置８６は列電極８４を通して延在し、ゲート部分の一部を露出している。第４図に示す電界放出カソードは、列電極８４と平行に走らせる集束電極８８を有している。
第４図に示すように、粒子３０のなかには、列電極８４の上に被着するものもある。列電極８４の、ゲート層８０の連続性を含む電極の特性は、粒子３０が電極８４から除去された時に著しく変化しないため、このことは害にはならない。同様に、粒子３０の一部は集束電極８８の上にやはり害にならない形で堆積し得る。
第５図には、本発明により形成された第２ｉ図（または第１ｉ図）のもののような、面積方向配列型フィールドエミッタを用いているフラットパネル形ＣＲＴディスプレイのコア能動領域の典型的な例が示されている。基板２０はＣＲＴディスプレイのバックプレートを構成している。下側非絶縁性エミッタ領域２２はバックプレート２０の内側表面上に設けられ、導電性層２２Ａとその上層をなす抵抗性層２２Ｂからなる。
列電極の１つ８４が第５図に示されている。各列電極アパーチャ８６は複数の円錐形電子放出素子６０Ａを露出している。
透明で典型的にはガラス製のフェースプレート９０が、バックプレート２０に対向配置されている。発光燐光体領域９２は、フェースプレート９０の内側表面上の、対応する列電極アパーチャ８６の正反対の位置に設けられており、その１つが第５図に示されている。薄い導電性の光反射層９４が通常アルミニウム性で、フェースプレート９０の内部表面に沿って燐光体領域９２の上層をなしている。電子放出素子６０Ａによって放出された電子は光反射層９４を通過し、燐光体領域９２を発光させて、フェースプレート９０の外部表面上に目に見える画像を作り出す。
フラットパネル形ＣＲＴディスプレイのコア能動領域は、典型的には第５図には示されていない他の構成要素を含む。例えば、フェースプレート９０の内側表面に沿ってブラックマトリクスが各燐光体領域９２を取り囲み、それを他の燐光体領域９２から横方向に隔離している。電極間誘電体層２４Ｂの上に設けられた集束用突条部（第４図に示す）は、電子の軌跡の制御を助ける。スペーサ壁は、バックプレート２０とフェースプレート９０との間の間隔を比較的一定に保つために用いられる。
本発明により形成されたフィールドエミッタは、第５図に示すような形のフラットパネル形ディスプレイに組み込んだ時、以下のように動作する。光反射層９４は電界放出カソードに対するアノードとしての役目を果たす。このアノードはゲート及びエミッタラインに対して正の高い電位に維持される。
（ａ）下側非絶縁性エミッタ領域２２におけるエミッタ行電極の選択された１つと、（ｂ）それとともに形成された列電極の選択された１つ、若しくはゲート層３６Ａ、５０Ａ、または６２Ａ／６４Ａ／６６Ａのコンタクト部分との間に適切な電圧が印加されると、前に選択されたゲート部分が、２つの選択されたゲート電極の交差する点における電子放出素子から電子を引き出し、このようにして生じた電子の流れの強さを制御する。印加されるゲート−カソード平行−プレート電界が、燐光体領域９２が高電位燐光体であるフラットパネル形ＣＲＴディスプレイにおける燐光体被覆フェースプレートで測定した時に、電流密度１ｍＡ／ｃｍ2において２０Ｖ／μｍ近くに達している時、所望のレベルの電子放出が発生する。引き出された電子が衝突した時、燐光体領域９２は発光する。
ここで、本発明を説明する際に用いた「下側」及び「上側」のような方向を示す用語は本発明の種々の構成要素がどのように組み合わされるのかを読み手が容易に理解できるようにするための枠組みを設定するために用いたものである。その実施においては、電子放出デバイスの構成要素はここで用いた方向を示す用語を意味する時とは異なる向きに向けられることもある。同じことは本発明において実施される製造工程についても当てはまる。方向を示す用語は説明を簡単にするために便宜上用いられているものであるため、本発明は、本明細書において使用した方向を指し示す用語が意味する方向とは異なる方向をもつ実施形態もその範囲に含む。
本発明の特定の実施例について説明したきたが、この実施例の説明は例示の目的で記述されたものであり、本発明の範囲をここに開示する実施例のみに限定しようとするものではない。例えば、粒子３０は二重負電荷以外の負電荷の量を供給する官能基を有し得る。また、負に荷電した粒子３０の代わりに正に荷電した球形粒子を用いることもできる。この場合、電極の極性は上述の説明とは逆になる。粒子３０を部分的に帯電した状態或いは部分的に帯電していない状態で用いることもできる。
第１図のプロセスにおいてゲート層３６Ａを形成するための、第２図のプロセスにおいてリフトオフ層５２Ａを形成するための、または第３図のプロセスにおいて複合ゲート層６４Ａ／６６Ａを形成するための球体３０上への固体材料の被着は、絶縁性層２４の上側表面に対して概ね垂直ではない向きで行うこともできる。例えば、固体材料は、高圧スパッタリングのような非コリメート式技術を用いたり、部分的にコリメート式技術を部分的に用いることによって被着することができる。粒子の電気泳動的被着を、ゲート層３６Ａ、リフトオフ層５２Ａ、及び複合ゲート層６４Ａ／６６Ａ以外の層における開口部を確定するために直接用いることもできる。
ゲート開口部がゲート層を貫通して下側非絶縁性エミッタ領域２２の上の絶縁性層に達しているような構造を形成した後、ゲート層の上に別の非絶縁性ゲート材料を選択的に被着することによって、ゲート層の厚みを厚くすることができる。この別のゲート材料の被着は、電気化学的技術を用いて行われ得る。一般に、この別のゲート材料の被着は、粒子３０の除去の前または後に行うことができる。
電気泳動的に被着された粒子は球形以外の形状を有していてもよい。第１図〜第３図のプロセスを、非円錐形状の電子放出素子を形成するように改変することもできる。第１図または第２図のプロセスにおける過剰なコーン材料層３６Ｂを、前に引用したＳｐｉｎｄｔ等による国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／０２９７３号に記載の技術を用いて電気化学的に除去することもできる。
フェースプレート９０と燐光体９２との間に配設され、例えばインジウム錫酸化物からなる透明な電気的に非絶縁性の層を、光反射層９４の代わりにアノードとして用いることができる。下側非絶縁性領域２２が構造を支持するに十分な厚みを有する連続層である場合は、基板２０を除去することができる。また、絶縁性基板２０の代わりに構造の支持体として役目を果たす、比較的厚い絶縁性層の上に薄い絶縁性層が設けられた複合基板を用いることができる。
粒子３０が電界ＥAを受けた時に被着表面上での粒子３０の凝集を防止するために、電気泳動的作用以外の仕組みを補助的に用いることができる。一般に、粒子３０が互いに接触することを著しく抑制する仕組みは、大方印加される電界ＥAが及ぼす影響からなる。
本発明の製造プロセスによって形成された電子エミッタは、フラットパネル形ＣＲＴディスプレイ以外のフラットパネル形装置を作るのに用いることができる。特に、本発明の電子エミッタは、ゲート制御式の電子源が必要な、一般に真空雰囲気の中で用いることができる。請求項に記載の本発明の範囲及び精神を逸脱することなく、当業者は本発明を様々に改変して実施したり別の用途において用いることができよう。
Claims (15)
- 電子放出デバイス用の構造上に多数の開口部が貫通した固体材料の層を形成する方法であって、
流体に懸濁された粒子に電界をかけて、多数の粒子を、流体内に入れられた構造の主要面に向かって移動させその上に堆積させる電界印加過程であって、前記粒子は荷電している、該電界印加過程と、
堆積した粒子が付着した構造を前記流体から取り出す過程と、
選択された固体材料を、前記主要面上の少なくとも堆積した粒子間の空間に被着させる過程と、
前記構造から前記粒子の上に堆積した前記固体材料と共に前記粒子を除去し、前記主要面上に残った選択された前記固体材料が前記固体材料の層を形成し、前記固体材料の除去された前記粒子の位置に多数の開口部が貫通した形態にする過程とを含むことを特徴とする方法。 - 前記電界印加過程が、前記流体の少なくとも一部分を横断する電界を発生させる過程を含み、
前記電界を発生させる過程が、前記構造の電極と前記流体の中に設けられた上層をなす別の電極との間に電圧を印加する過程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記粒子がポリスチレンを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記粒子の少なくとも一部が荷電されており、前記電界印加過程が、少なくとも部分的に電気泳動的に行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記粒子が荷電した官能基を付けられたポリマー材料を含み、前記粒子の少なくとも一部が前記流体内に入れられる前に荷電した官能基で荷電されていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
- 前記主要面が第１表面部分及び第２表面部分を含み、前記第２表面部分が前記第１表面部分とは異なるタイプの材料からなり、前記第１表面部分より前記第２表面部分において前記粒子の表面密度が高くなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記第１表面部分及び前記第２表面部分が、それぞれ電気的に絶縁性の材料及び電気的に非絶縁性の材料を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
- 前記構造が、絶縁性層と、前記絶縁性層の前記主要面の裏面側に前記絶縁性層の下層をなすように設けられた電気的に非絶縁性の下側非絶縁性領域とを含むことを特徴とし、
前記固体材料の層における開口部を通して前記絶縁性層をエッチングし、前記絶縁性層を貫通して前記下側非絶縁性領域に達する対応する誘電体開口部を形成する絶縁性層エッチング過程を更に有することを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 請求項８に記載の方法で形成された固体材料の層を備える電子放出デバイス用の構造の前記下側非絶縁性領域の上に多数の電子放出素子を形成する電子放出素子形成過程を含み、
前記多数の電子放出素子の各電子放出素子が前記誘電体開口部の対応する１つの中に少なくとも部分的に配置されることを特徴とする電子放出デバイスの製造方法。 - 前記固体材料の層が、電気的に非絶縁性のゲート層を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
- 前記構造が前記絶縁性層の上に形成された電気的に非絶縁性のゲート層を含むことを特徴とし、
前記方法が、
前記絶縁性層エッチング過程の前に、前記固体材料の層における開口部を通して前記ゲート層をエッチングし、前記ゲート層を貫通する対応するゲート開口部を形成する過程を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。 - 前記電子放出素子形成過程が、
前記固体材料の層の上及び前記誘電体開口部の中に電気的に非絶縁性のエミッタ材料を被着して、前記電子放出素子を少なくとも部分的に形成する過程と、
前記固体材料の層の上に堆積した任意の前記エミッタ材料を実質的に除去するべく前記固体材料の層を除去する過程とを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。 - 請求項１に記載の方法で形成された固体材料の層を備える前記電子放出デバイス用の構造が、前記主要面側の最外部に設けられたゲート層と、前記ゲート層の前記主要面の裏面側に前記ゲート層の下層をなすように設けられた絶縁性層と、前記絶縁性層の前記主要面の裏面側に前記絶縁性層の下層をなすように設けられた電気的に非絶縁性の下側非絶縁性領域とを含むことを特徴とし、
前記電子放出デバイス用の構造の前記固体材料の層における開口部を通して前記ゲート層をエッチングし、前記ゲート層を貫通する対応するゲート開口部を形成する過程と、
前記ゲート開口部を通して前記絶縁性層をエッチングし、前記絶縁性層を貫通して前記下側非絶縁性領域に達する対応する誘電体開口部を形成する過程と、
前記下側非絶縁性領域の上に多数の電子放出素子を形成する電子放出素子形成過程であって、各電子放出素子が前記誘電体開口部の対応する１つの中に少なくとも部分的に配置される、該電子放出素子形成過程とを含むことを特徴とする電子放出デバイスの製造方法。 - 請求項９に記載の方法で形成された電子放出デバイスの前記多数の電子放出素子の上に電子放出素子から離隔された形で、前記多数の電子放出素子によって放出された電子を収集するためのアノード手段を設ける過程を含むことを特徴とするフラットパネル型ディスプレイ構造の製造方法。
- 前記アノード手段が、前記電子放出素子から放出された電子が衝突したときに発光する発光素子を有する発光構造の一部として設けられることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
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