JP4307856B2 - 三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子及びその製造方法 - Google Patents
三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子及びその製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三極構造を有する炭素ナノチューブを具備する電界放出素子及びその製造方法に係り、詳細には、高温で焼成する工程におけるゲート電極と陰極電極との整列誤差の発生が抑制された電界放出素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パーソナルコンピュータやテレビ受像機等に用いられる表示装置として、高速熱電子の放出を利用する陰極線管と液晶表示素子（ＬＣＤ；Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、プラズマ表示パネル（ＰＤＰ；Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）、電界放出表示素子（ＦＥＤ；Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）等が挙げられる。
【０００３】
炭素ナノチューブを用いた電界放出表示素子は、広い視野角、高い解像度、低消費電力、温度安定性の点で陰極線管に比べて非常に有利である。このような電界放出素子は自動車航法装置、電子的な映像装置のビューファインダ等の種々の分野に応用することが可能である。特に、炭素ナノチューブを用いた電界放出表示素子は、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄａｔａ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）端末機、医療機器、ＨＤＴＶ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）等のディスプレイ装置に好適に用いられる。
【０００４】
図１は従来の電界放出素子の構造を模式的に示す断面図である。
図１に示すように、従来の電界放出素子は、基板１と、基板１に積層されたＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｃｉｄｅ）から構成される電極層２と、ＩＴＯ電極層２の上に、ＩＴＯ電極層２の一部が露出するように形成されるマスク陰極層３と、マスク陰極層３の上にウェル８を形成するように積層される絶縁層５と、絶縁層５の上にストリップ状に形成されるゲート電極６と、ウェル８の底部に露出したＩＴＯ陰極層２の上に配置された針状の炭素ナノチューブチップを含む電界放出源３１とを具備して構成される。
【０００５】
図２Ａから図２Ｊは、従来の電界放出素子の製造方法のうち、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に予め三極構造を形成する工程を示す図面である。
まず、図２Ａに示すように、基板１上にＩＴＯ電極層２を積層した後、マスク陰極層３を蒸着する。このとき、基板１としては従来公知のガラスを用いることができ、マスク陰極層３としては金属層またはアモルファスシリコンのような紫外線を効果的に吸収して充分に遮断することが可能な物質を利用する。
【０００６】
つぎに、図２Ｂに示すように、マスク陰極層３上にフォトレジスト１１−１を塗布してマスク陰極層３の上部にマスク７１−１を配置させた後、紫外線を照射して露光する。露光工程の後で、現像、エッチング及び洗浄工程を経れば図２Ｃに示すようにホール４を有するマスク陰極層３が形成される。
【０００７】
図２Ｄは、マスク陰極層３の上部に絶縁層５を積層する段階を示す。積層が行われた後で、絶縁層５の絶縁特性のために５５０℃以上の高温で焼成し、再びゲート電極６を図２Ｅに示すように積層する。
【０００８】
図２Ｆは、ゲート電極６をパターニングするために、露光、現像、エッチング及び洗浄といった一連のフォトリソグラフィ工程を示す図である。ここで、参照符号７１−２はマスクを、１１−２はフォトレジストを示す。前記のフォトリソグラフィ工程を経れば、図２Ｇに示すようなホール７が形成されたゲート電極６が形成される。ゲート電極６のパターニングが行われた段階の後、湿式または乾式のエッチング工程により絶縁層５及びマスク陰極層３をエッチングして図２Ｈに示すようにウェル８を形成させてＩＴＯ陰極層３の一部をウェル８の底部に露出させる。
【０００９】
また、図２Ｉに示すようにフォトレジスト１１−３を塗布した後、マスク７１−３をこのフォトレジスト１１−３の上に配置させてフォトリソグラフィ工程を行って図２Ｊに示すようなストリップ状のゲート電極６をパターニングする。
【００１０】
前記従来の電界放出素子の製造方法では、絶縁層５を蒸着した後で、高温で焼成するため、ガラスから構成される基板１は、その特性上、熱的変形を生じ、整列マークの位置がずれ易い。そして、このようにして整列マークの位置がずれることにより、整列マークの位置で比較的大きな誤差が生じたまま、ゲート電極６を蒸着した後で、図２Ｉに示すようなゲート電極６のパターンを形成すると、ＩＴＯ電極のホール４とウェル８の中央部分が互いに正確に一致しなくなり、炭素ナノチューブ電界放出源３１の位置が所望の中央から左右いずれかの方向に移動することとなる。このようなゲート電極６と炭素ナノチューブ電界放出源３１との整列誤差によって、ゲート電極６とＩＴＯ陰極層２とが互いに接触または非常に近接するようになるが、このとき、漏れ電流の発生や電子放出量の減少が生じ易くなる。
【００１１】
図２Ｋから図２Ｑは、図２Ａから図２Ｊまでの製造工程を経て形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する従来の製造方法を示す図面である。
ウェル８に炭素ナノチューブペーストを注入する段階では、犠牲層を使用してリフトオフする方法、直接整列して注入する方法、及び背面露光して形成させる方法等が挙げられる。これらの方法のうち、直接整列して注入する方法では、装備上の整列誤差及び炭素ナノチューブ物質の粘性により、高アスペクト比を実現することが困難である。また、背面露光して形成させる方法では、犠牲層を使用しないため残渣が比較的多く残存するという問題がある。
【００１２】
したがって、主に炭素ナノチューブペーストを用いて電界放出源を製造するために、図２Ｋから図２Ｑに示すように、フォトレジストを犠牲層とするリフトオフ工程を利用する。
図２Ｋに示すように、図２Ｊで形成された三極構造で、ウェル８、絶縁層５及びゲート電極６を囲繞するようにフォトレジスト１１−４を塗布した後、フォトリソグラフィ工程を行って図２Ｌに示すように絶縁層５及びゲート電極６の上部を除いてウェル８に形成されたフォトレジスト１１−４のみをエッチングする。
【００１３】
前記エッチングが行われた後、図２Ｍに示すようにスクリーンプリンティング法を利用して炭素ナノチューブペースト１２をウェル８内部に注入し、フォトレジスト１１−４を囲繞するように塗布した後、背面露光を行う。ここで、フォトレジスト１１−４は犠牲層として供される。
【００１４】
この背面露光を行えば本来の炭素ナノチューブペースト１２は、図２Ｎに示すように、露光された炭素ナノチューブペースト１３と露光されていない炭素ナノチューブペースト１３’とに分けられる。これはマスク陰極層３の前面に配置された炭素ナノチューブ１３’が紫外線で露光されなかったためである。
【００１５】
この露光が行われた後、アセトンやＮａ2ＣＯ3（０．４％ｗｔ）のような現像液を利用して現像すれば、露光された炭素ナノチューブペースト１３は残存し、露光されていない炭素ナノチューブペースト１３’は犠牲層であるフォトレジスト１１−４が現像液に分散されると同時にリフトオフされる。その結果、図２Ｏに示すような形態の炭素ナノチューブペースト１４が得られる。このとき、露光されていない炭素ナノチューブペーストの残渣１４’が現像液に溶解されずに残存するか、露光された炭素ナノチューブペースト１４の一部が現像液に露出してゲート電極６または絶縁層５に付着する。
【００１６】
このような電界放出素子を４６０℃程度の高温の窒素雰囲気で焼成すれば、図２Ｐに示すように前記電界放出素子が収縮する。そして、この電界放出素子を再び機械的な方法で表面処理すれば炭素ナノチューブペースト１５の内部に陥没した炭素ナノチューブが表面に表れて図２Ｑに示すような炭素ナノチューブ電界放出源３１が形成されるが、やはり残渣１５’が残存することとなる。
【００１７】
炭素ナノチューブペースト及び炭素ナノチューブペースト内の炭素ナノチューブ残渣１６’は、図２Ｏに示すように三極構造の表面に付着して電極間の短絡及び陽極電圧によるダイオードエミッションのような欠陥を引き起こすおそれがある。
【００１８】
図３は、図２Ｄに示すように従来の電界放出素子の製造方法によって製造された電界放出素子で、ゲート電極６と炭素ナノチューブ電界放出源３１との間に整列誤差が発生した状態を示す図である。ゲート電極６に対して炭素ナノチューブ電界放出源３１が右側に偏って互いの中心がずれていることがわかる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記従来技術の問題点を改善するためになされたものであり、その目的は、高温で焼成を行う工程で生じ得るゲート電極と炭素ナノチューブとの整列誤差を除去することによって、ゲート電極と陰極との短絡を防止することが可能な炭素ナノチューブを備えた電界放出素子とその製造方法を提供することにある。
【００２０】
また、本発明の他の目的は、電極間に短絡やダイオードエミッションの原因になり得る炭素ナノチューブペーストの現像工程における炭素ナノチューブペーストの残渣を抑制することが可能な電界放出素子の製造方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
（１）前記目的を達成するための本発明に係る三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子は、基板と、前記基板上に積層される透明な陰極層と、前記陰極層の一部が底部に露出したウェルを有して前記陰極層上に形成される絶縁層と、前記ウェルに対応する開口部を有して前記絶縁層上に配置されたゲート電極と、前記ゲート電極の上部と、前記開口部及び前記ウェルの内壁を囲繞するように形成される光遮断抵抗層と、前記露出した陰極層上に配置された炭素ナノチューブ電界放出源とを具備して構成される。
【００２２】
（２）本発明では、前記光遮断抵抗層がアモルファスシリコンで構成されることが望ましい。
（３）また、本発明では、前記炭素ナノチューブ電界放出源が、前記露出した陰極上に配置された炭素ナノチューブカラム（ｃｏｌｕｍｎ；柱）及びその表面に整列される炭素ナノチューブチップを含んで構成されることが望ましい。
【００２３】
（４）前記目的を達成するための本発明に係る三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法は、基板上に透明な陰極層、絶縁層を順次積層した後で焼成する第１段階と、前記絶縁層上にゲート電極を積層した後で前記ゲート電極の中心部に開口部が形成されるようにパターニングする第２段階と、前記絶縁層に前記開口部に対応するウェルが形成されるようにエッチングして前記ゲート電極がストリップ状に形成されるようにパターニングする第３段階と、前記ゲート電極及び前記ウェルの内壁に光遮断抵抗層を蒸着した後で前記ウェルの底部に陰極が露出するようにパターニングする第４段階と、前記露出した陰極上に炭素ナノチューブ電界放出源を形成する第５段階とを含んで構成される。
【００２４】
（５）本発明では、前記光遮断抵抗層がアモルファスシリコンで形成されることが望ましい。
（６）また、本発明では、前記光遮断抵抗層が化学気相蒸着法を利用して形成されることが望ましい。
（７）更に、本発明では、前記炭素ナノチューブ電界放出源が、前記露出した陰極上に配置された炭素ナノチューブカラム及びその表面に整列される炭素ナノチューブチップを含むことが望ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態の電界放出素子とその製造方法について詳細に説明する。
ここで、同じ構成要素については、たとえ異なる図面であっても同一の参照番号を附して重複した説明を省略する。
【００３０】
図４は本発明に係る実施形態の電界放出素子を模式的に示す断面図である。
図４に示すように、基板１１１上に陰極層１１２が積層されており、陰極層１１２上にはウェル１１８を有する絶縁層１１５が形成されている。そして、絶縁層１１５の上部にはウェル１１８が延びる開口部１１８’を有するストリップ状のゲート電極１１６がパターニングされており、ゲート電極１１６及びウェル１１８の内壁をすべて囲繞するように光遮断抵抗層１２０が形成されている。
【００３１】
また、ウェル１１８の底部には陰極層１１２が一部露出している。そして、この陰極層１１２上には、炭素ナノチューブカラム及びその上部に、炭素ナノチューブチップが整列された炭素ナノチューブ電界放出源１３１が配置されている。
【００３２】
図５Ａから図５Ｒは、図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
まず、図５Ａに示すように、基板１１１上にＩＴＯより構成される陰極層１１２を蒸着する。前記したように背面露光のために透明な伝導性物質でＩＴＯ陰極層１１２を形成する。
【００３３】
つぎに、図５Ｂに示すように、陰極層１１２上に絶縁層１１５を成膜して５５０℃以上の高温で焼成する。本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法では、従来の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法と異なり、マスク陰極層３を除去して直ちに絶縁層１１５を陰極層１１２上に蒸着し、陰極パターンを形成する前に焼成工程を行うので、陰極パターンとゲート電極パターンとの間に整列誤差が発生しない。
【００３４】
前記焼成工程が行われた後で、図５Ｃに示すように、絶縁層１１５の上部にゲート電極１１６を積層する。このゲート電極１１６を積層する工程が行われた後で、図５Ｄに示すように、ゲート電極層１１６上にフォトレジスト１１０−１を塗布した後、前記フォトレジスト１０の上部にマスク１１７−１を被覆して露光するといった前記と同様の一連のフォトリソグラフィ工程を行う。
【００３５】
このようなフォトリソグラフィ工程により形成されたゲートパターンを図５Ｅに示す。ゲート電極１１６に形成されたホール１１７に対応して絶縁層１１５を図５Ｆに示すようにエッチングする。エッチングされた空間は炭素ナノチューブペースト１５１が印刷されるウェル１１８である。
【００３６】
図５Ｇは、ゲート電極１１６のストリップ状のパターンを形成するために露光、現像、エッチング及び洗浄の工程を含む一連のフォトリソグラフィ工程を示しており、前記フォトリソグラフィ工程により形成されたゲート電極１１６のパターンが図５Ｈに示されている。ここで、参照符号１１０−２はフォトレジストを示し、１７１−２はマスクを示す。
【００３７】
そして、図５Ｉに示すように、アモルファスシリコンのような抵抗成分を有して紫外線を遮断する物質をゲート電極１１６及びウェル１１８の内壁に蒸着する。前記紫外線遮断物質より構成される光遮断抵抗層１２０は段差形状の塗布が容易な化学気相蒸着法（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用して蒸着する。
【００３８】
つぎに、図５Ｊに示すように、フォトレジスト１１０−３を塗布してその上部にマスク１７１−３を配置させて露光及び現像を含むフォトリソグラフィ工程を行い、図５Ｋに示すようにウェル１１８の底部に陰極層１１２を露出させる。この工程の後で、図５Ｌに示すようにウェル１１８及び紫外線を遮断する光遮断抵抗層１２０をフォトレジスト１１０−４で全体的に塗布し、マスク１７１−４をその上部に配置させてフォトリソグラフィ工程を行って図５Ｍに示すようにフォトレジスト１１０−４をパターニングする。
【００３９】
ウェル１１８及びウェル１１８の底部に露出した陰極１１２上のフォトレジスト１１０−４は除去されて、フォトレジスト１１０は図５Ｍに示すように紫外線を遮断する光遮断抵抗層１２０上にのみ積層されている。
そして、図５Ｎに示すように、炭素ナノチューブペースト１３０を、ウェル１１８を含む空間に注入してフォトレジスト１１０を被覆するように塗布した後、基板１１１の背面に紫外線を照射して炭素ナノチューブペースト１３０を露光させる。更に、図５Ｏに示すように、炭素ナノチューブペースト１３０は、紫外線を遮断する光遮断抵抗層１２０によって、露光された炭素ナノチューブペースト１３２と露光されていない炭素ナノチューブ１３２’とに分けられる。
【００４０】
続いて、現像工程を行うことにより、図５Ｐに示すように露光されていない炭素ナノチューブペースト１３２’が除去され、露光された炭素ナノチューブペースト１３２が残存する。引き続き、焼成工程を行うことにより、図５Ｑに示すように炭素ナノチューブペースト１３２の高さが低くなって炭素ナノチューブカラム１３３が形成され、この炭素ナノチューブカラム１３３を表面処理すれば、図５Ｒに示すように、針状の炭素ナノチューブが整列された電界放出源１３４が形成される。
【００４１】
図６は本発明に係る第１実施形態の製造方法により製造された三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子を示す写真である。図６に示すように、本発明に係る第１実施形態の電界放出素子の製造方法により製造された三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子は、図３に示す従来の電界放出素子とは異なり、炭素ナノチューブを備えた電界放出源１３１と紫外線を遮断する光遮断抵抗層１２０とが、整列誤差を生じることなく、より正確な位置に配置されて形成されていることがわかる。
【００４２】
本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法は、比較的大面積の電界放出素子を具現する際に、高温で行われる焼成工程で生じ得るゲート電極パターンと陰極パターンとの整列誤差を抑制することで、炭素ナノチューブの電子放出によるゲート電極と陰極電極との電気的短絡現象を防止することができるという長所を備えている。
【００４３】
しかし、炭素ナノチューブペーストを印刷する工程で、従来の液状フォトレジストを犠牲層として背面露光した後でリフトオフする方式を採用すると、露光されていない炭素ナノチューブ、または炭素ナノチューブペーストの残渣が残存して、前記ゲート電極と陰極電極との間の電気的短絡現象や陽極電圧による電子放出などの欠陥を発生させる場合がある。
【００４４】
そこで、本発明は、このような問題点を解消すべく、本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法を提案する。すなわち、本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法は、炭素ナノチューブペーストの現像を行う際に、残渣の存在による性能低下を防止すべく陰極表面に保護層を積層する。
【００４５】
図７Ａから図７Ｈに本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法を示す。
図７Ａは、本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、１例として用いた、図２Ｊに示すような従来の電界放出素子の三極構造を模式的に示す断面図である。参照符号２１１は基板を示し、参照番号２１２はＩＴＯ電極層を示し、参照番号２１３はゲート電極を示し、参照番号２１５は絶縁層を示し、参照番号２１６はゲート電極を示す。
【００４６】
図７Ｂに示すように、フォトレジストの１種であるＤＦＲフィルムのような、現像液を処理する際にも残存する物質を使用して保護層２１７を絶縁層２１５及びゲート電極２１６の上部に積層した後、マスク２７１をその上部に配置させて露光及び現像工程を含むフォトリソグラフィ工程を通して図７Ｃに示すように保護層２１７をパターニングしてゲート電極２１６、絶縁層２１５及びマスク陰極層２１３を順次エッチングしてウェル２１８を形成する。
【００４７】
前記のパターニング工程の後で、図７Ｄに示すように、ウェル２１８に炭素ナノチューブペースト２２０を注入して保護層２１７上にも炭素ナノチューブペースト２２０が被覆されるように塗布する。
このように塗布が行われた後、基板２１１の背面に紫外線を照射して背面露光を行えば、マスク陰極層２１３が形成された部分の前面では紫外線が遮断されて炭素ナノチューブペースト２２１’及び保護層２１７が露光されず、マスク陰極層２１３がエッチングされてＩＴＯ陰極層２１２が露出した部分の前面では紫外線が通過するので、この部分に配置された炭素ナノチューブペースト２２１のみが感光されて図７Ｅに示す形態となる。
【００４８】
露光工程の後で、現像液（例えば、Ｎａ2ＣＯ3溶液）で現像すれば露光されていない炭素ナノチューブ２２１’が除去され、図７Ｆに示すように、ＤＦＲ（Ｄｒｙ Ｆｉｌｍ Ｒｅｌｅａｓｅ）フィルムより構成される保護層２１７は残存する。本発明では、保護層２１７をリフトオフするために４％ＮａＯＨ溶液を使用するのが望ましいが、ＤＦＲフィルムより構成される保護層２１７はＮａＯＨ溶液に溶解されずに、フィルム自体の形態を維持しながら表面からそのままリフトオフされて、溶液内の炭素ナノチューブの残渣が残存することを抑制する。図７Ｆに、保護層２１７がゲート電極２１６からリフトオフされる工程を示す。
【００４９】
ここで、露光されていない炭素ナノチューブ２２１’と保護層２１７とを分離して除去する代わりに、図７Ｆの段階で、ＮａＯＨ溶液を用いて処理すれば、炭素ナノチューブ２２１’及び保護層２１７とが同時に、露光された炭素ナノチューブ２２１及びゲート電極２１６からリフトオフされる。
【００５０】
このようなリフトオフは、炭素ナノチューブ２２１’と保護層２１７とが化学的に結合され、更に、保護層２１７がフィルム型のＤＦＲであることによってはじめて可能となる技術である。このことは本発明で特筆すべきことである。
【００５１】
すなわち、従来の液状フォトレジストを使用した場合には、露光されていない炭素ナノチューブ及びフォトレジストが現像液に分散されてしまうので、前記のような化学的な結合も形成されない。したがって、従来の液状フォトレジストを使用したときには、このようにして炭素ナノチューブ２２１’及び保護層２１７とを同時に、露光された炭素ナノチューブ２２１及びゲート電極２１６からリフトオフさせて、炭素ナノチューブ２２１’及び保護層２１７と、露光された炭素ナノチューブ２２１及びゲート電極２１６とを同時に分離することは不可能であった。
【００５２】
本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で例示したＤＦＲフィルムは保護層としての１例に過ぎない。すなわち、本発明にあっては、炭素ナノチューブと化学結合を形成し、かつ現像液上でも固体状で残存して、三極構造から適切にリフトオフされる物質であれば保護層として用いることが可能である。
【００５３】
従来の電界放出素子の製造方法で炭素ナノチューブペーストの残渣が発生する理由は、露光されていない炭素ナノチューブ及び犠牲層であるフォトレジストがリフトオフを行う工程で現像液に分散され、陰極の最上部にある炭素ナノチューブペーストが現像液に露出するためである。
【００５４】
これに対して、本発明では、前記炭素ナノチューブペーストの残渣の発生を防止すべく、露光されていない炭素ナノチューブと化学的な結合を形成する物質である１例のＤＦＲフィルムを保護層として塗布することにより、現像液上でも分散されないようにして、リフトオフを行う工程でゲート電極層を保護して露光された炭素ナノチューブが現像液に直接接触しないようにする。したがって、本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法では、露光されていない炭素ナノチューブが残存しない。
【００５５】
前記のリフトオフ工程の後、図７Ｇに示すように焼成工程を実行して炭素ナノチューブカラム２２４の高さを低くして表面処理を行えば、図７Ｈに示すように、針状の炭素ナノチューブ２２５が電界放出源として作用する電界放出素子が完成される。
【００５６】
本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法は、図２Ｊに示すような従来の三極構造を有する炭素ナノチューブにも適用できるのみならず、図５Ｋに示すような前記した本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法による三極構造にも適用できる。
【００５７】
すなわち、図５Ｋに示す工程で形成された紫外線を遮断する光遮断抵抗層１２０に塗布されるようにＤＦＲフィルムより構成される保護層２１７をパターニングした後、図７Ｄから図７Ｈに示す工程と同様の工程を実行して図５Ｒに示すような形態の電界放出素子を製造することが可能である。
【００５８】
ただし、本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で製造された電界放出素子と、本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で製造された電界放出素子との相違点は、前者が紫外線を遮断するために紫外線遮断マスク陰極層を具備しているのに対し、後者は紫外線を遮断するために紫外線を遮断する光遮断抵抗層を具備しているという点のみである。
【００５９】
本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法は、炭素ナノチューブペーストを現像する際に発生し得る残渣を抑制することによって、陰極表面を保護して電極間の短絡やダイオードエミッションを防止することができる。
【００６０】
図８は本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で犠牲層として液状フォトレジストを使用して製造された電界放出素子の電子放出の状態を示す写真であり、図９は本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で犠牲層としてＤＦＲフィルムを使用して製造された電界放出素子の電子放出の状態を示す写真である。
【００６１】
図９に示す本発明に係る第２実施形態の製造方法で犠牲層にＤＦＲフィルムを用いて製造された製造された電界放出素子は、図８に示す本発明に係る第２実施形態の製造方法で犠牲層に液状フォトレジストを用いて製造された電界放出素子に比べてより明るい光を放射していることから、前記ＤＦＲフィルムを犠牲層に用いた場合には、炭素ナノチューブの残渣が更に効果的に除去されることがわかる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明した通りに構成される本発明によれば以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法によれば、マスク陰極層を除去して直ちに絶縁層を陰極層上に蒸着し、陰極パターンを形成する前に高温での焼成工程を行うので、この電界放出素子のゲート電極と陰極との整列誤差を抑制することが可能である。その結果、電流の漏れが防止されて、電子放出性能が更に向上された三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子を提供することができる。
【００６３】
また、本発明に係る三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法によれば、炭素ナノチューブペーストの現像処理を行う工程で残渣の発生を抑制することができる。その結果、電極間の短絡やダイオードエミッションが効果的に防止された三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の１例の電界放出素子を模式的に示す断面図である。
【図２Ａ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、基板上にＩＴＯ電極層を積層した後、マスク陰極層を蒸着する工程を模式的に示す断面図である。を示す断面図である。
【図２Ｂ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、マスク陰極層上にフォトレジストを塗布してマスク陰極層の上部にマスクを配置させた後、紫外線を照射して露光する工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｃ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、ホールを有するマスク陰極層が形成される工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｄ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、マスク陰極層の上部に絶縁層を積層する工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｅ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、図２Ｄに示すような積層が行われた工程の後でゲート電極を積層する工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｆ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、ゲート電極をパターニングするためのフォトリソグラフィ工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｇ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、図２Ｆに示す工程の後でホールが形成されたゲート電極が形成された状態を模式的に示す断面図である。
【図２Ｈ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、図２Ｊに示すゲート電極のパターニングが行われた段階の後、ＩＴＯ陰極層の一部をウェルの底部に露出させる工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｉ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、フォトレジストを塗布した後、マスクをその上部に配置させてフォトリソグラフィ工程を行う工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｊ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、図２Ｉに示す工程を経て形成ストリップ状のゲート電極をパターニングする工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｋ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、図２Ａから図２Ｊまでの工程で形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する工程のうち、図２Ｊに示す工程で形成された三極構造でウェル、絶縁層及びゲート電極を囲繞するようにフォトレジストを塗布する工程を模式的に示す断面図である。した後、フォトリソグラフィ工程を行う工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｌ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、図２Ａから図２Ｊまでの工程で形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する工程のうち、図２Ｋに示す工程の後でフォトリソグラフィ工程を行い、絶縁層及びゲート電極の上部を除いてウェルに形成されたフォトレジストのみをエッチングする工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｍ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、図２Ａから図２Ｊまでの工程で形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する工程のうち、図２Ｌに示すエッチング工程の後で、スクリーンプリンティング法を利用して炭素ナノチューブペーストをウェル内部に注入し、フォトレジストを囲繞するように塗布した後、背面露光を行う工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｎ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、図２Ａから図２Ｊまでの工程で形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する工程のうち、図２Ｍの工程で背面露光を行うことにより、炭素ナノチューブペーストが、露光された炭素ナノチューブペーストと露光されていない炭素ナノチューブペーストとに分けられる状態を模式的に示す断面図である。
【図２Ｏ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、図２Ａから図２Ｊまでの工程で形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する工程のうち、露光が行われた後、現像され露光された炭素ナノチューブペーストが残存し、露光されていない炭素ナノチューブペーストは犠牲層であるフォトレジストが現像液に分散されると同時にリフトオフされて、炭素ナノチューブペーストが得られた状態を模式的に示す断面図である。
【図２Ｐ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、図２Ａから図２Ｊまでの工程で形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する工程のうち、図２Ｏに示す工程を経た電界放出素子を窒素雰囲気で焼成することにより、電界放出素子が収縮した状態を模式的に示す断面図である。
【図２Ｑ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、図２Ａから図２Ｊまでの工程で形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する工程のうち、図２Ｐに示す電界放出素子を再び機械的な方法で表面処理することにより、炭素ナノチューブペーストの内部に陥没した炭素ナノチューブが表面に表れて炭素ナノチューブ電界放出源が形成された状態を模式的に示す断面図である。
【図３】図２Ａから図２Ｑに示す従来の電界放出素子の製造方法によって製造された電界放出素子を示す写真である。
【図４】本発明に係る第１実施形態の電界放出素子を模式的に示す断面図である。
【図５Ａ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、基板上にＩＴＯより構成される陰極層を蒸着する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｂ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、陰極層上に絶縁層を成膜して焼成する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｃ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、絶縁層の上部にゲート電極を積層する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｄ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、ゲート電極層上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストの上部にマスクを被覆して露光する一連のフォトリソグラフィを行う工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｅ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図５Ｄに示すフォトリソグラフィ工程で形成されたゲートパターンを模式的に示す断面図である。
【図５Ｆ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、ゲート電極に形成されたホールに対応して絶縁層１１５をエッチングする工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｇ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、ゲート電極のストリップ状のパターンを形成するために一連のフォトリソグラフィを行う工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｈ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図５Ｇに示すフォトリソグラフィ工程で形成されたゲート電極のパターンを模式的に示す断面図である。
【図５Ｉ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、紫外線を遮断する物質をゲート電極及びウェルの内壁に蒸着する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｊ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、フォトレジストを塗布してその上部にマスクを配置させて露光及び現像を含む一連のフォトリソグラフィ工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｋ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、ウェルの底部に陰極層を露出させる工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｌ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、ウェル及び紫外線を遮断する光遮断抵抗層をフォトレジストで全体的に塗布する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｍ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図５Ｌに示す工程の後でマスクをその上部に配置させてフォトリソグラフィ工程を行い、フォトレジストをパターニングする工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｎ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、炭素ナノチューブペーストを、ウェルを含む空間に注入してフォトレジストを被覆するように塗布する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｏ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、炭素ナノチューブペーストが、紫外線を遮断する光遮断抵抗層により露光された炭素ナノチューブペーストと、露光されていない炭素ナノチューブとに分けられる工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｐ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、現像工程により、露光されていない炭素ナノチューブペーストが除去されて、露光された炭素ナノチューブペーストが残留する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｑ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、炭素ナノチューブペーストの高さを低くして炭素ナノチューブカラムを形成する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｒ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図５Ｑに示す炭素ナノチューブカラムを表面処理して針状の炭素ナノチューブが整列した電界放出源を形成する工程を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法によって製造された電界放出素子を示す写真である。
【図７Ａ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で用いた従来の１例の電界放出素子の三極構造を模式的に示す断面図である。
【図７Ｂ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、保護層を絶縁層及びゲート電極の上部に積層する工程を模式的に示す断面図である。
【図７Ｃ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図７Ｂに示す工程の後で、露光及びフォトリソグラフィ工程を通して、保護層をパターニングしてゲート電極、絶縁層及びマスク陰極層を順次エッチングしウェルを形成する工程を模式的に示す断面図である。
【図７Ｄ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図７Ｃに示す工程の後で、ウェルに炭素ナノチューブペーストを注入して保護層上に炭素ナノチューブペーストが被覆されるように塗布する。
【図７Ｅ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図７Ｄに示す工程の後で、基板の背面に紫外線を照射して背面露光を行う工程を模式的に示す断面図である。
【図７Ｆ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図７Ｅに示す工程の後で、現像を行い、露光されていない炭素ナノチューブを除去し、保護層を残存させて保護層をゲート電極からリフトオフさせる工程を模式的に示す断面図である。
【図７Ｇ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図７Ｆに示す工程の後で、焼成工程を実行して炭素ナノチューブカラムの高さを低くする工程を模式的に示す断面図である。
【図７Ｈ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図７Ｇに示す工程の後で、表面処理を行って電界放出源として作用する針状の炭素ナノチューブを備えた電界放出素子を完成させる工程を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、従来技術で使用されている液状フォトレジストを犠牲層として製造された電界放出素子の電子放出の状態を示す写真である。
【図９】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、本発明で使用されるＤＦＲフィルムを犠牲層として製造された電界放出素子の電子放出を示す写真である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 電極層
３ マスク陰極層
５ 絶縁層
６ ゲート電極
８ ウェル
３１ 炭素ナノチューブ電界放出源
１１−１、１１−２、１１−３、１１−４ フォトレジスト
７１−１、７１−２、７１−３ マスク
１１０−１、１１０−２、１１０−３、１１０−４ フォトレジスト
１１１ 基板
１１２ 陰極層
１１５ 絶縁層
１１６ ゲート電極
１１８ ウェル
１１７−１、１１７−２ マスク
１１８ ウェル
１１８’ 開口部
１２０ 光遮断抵抗層
１３１ 炭素ナノチューブ電界放出源
１３２ 炭素ナノチューブペースト
１３２’ 炭素ナノチューブ
１３３ 炭素ナノチューブカラム
２１１ 基板
２１２ ＩＴＯ電極層
２１３ ゲート電極
２１５ 絶縁層
２１６ ゲート電極
２１７ 保護層
２１８ ウェル
２２０、２２１ 炭素ナノチューブペースト
２２１’ 炭素ナノチューブ
２２４ 炭素ナノチューブカラム
２２５ 炭素ナノチューブ
２７１ マスク
【発明の属する技術分野】
本発明は、三極構造を有する炭素ナノチューブを具備する電界放出素子及びその製造方法に係り、詳細には、高温で焼成する工程におけるゲート電極と陰極電極との整列誤差の発生が抑制された電界放出素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パーソナルコンピュータやテレビ受像機等に用いられる表示装置として、高速熱電子の放出を利用する陰極線管と液晶表示素子（ＬＣＤ；Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、プラズマ表示パネル（ＰＤＰ；Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）、電界放出表示素子（ＦＥＤ；Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）等が挙げられる。
【０００３】
炭素ナノチューブを用いた電界放出表示素子は、広い視野角、高い解像度、低消費電力、温度安定性の点で陰極線管に比べて非常に有利である。このような電界放出素子は自動車航法装置、電子的な映像装置のビューファインダ等の種々の分野に応用することが可能である。特に、炭素ナノチューブを用いた電界放出表示素子は、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄａｔａ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）端末機、医療機器、ＨＤＴＶ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）等のディスプレイ装置に好適に用いられる。
【０００４】
図１は従来の電界放出素子の構造を模式的に示す断面図である。
図１に示すように、従来の電界放出素子は、基板１と、基板１に積層されたＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｃｉｄｅ）から構成される電極層２と、ＩＴＯ電極層２の上に、ＩＴＯ電極層２の一部が露出するように形成されるマスク陰極層３と、マスク陰極層３の上にウェル８を形成するように積層される絶縁層５と、絶縁層５の上にストリップ状に形成されるゲート電極６と、ウェル８の底部に露出したＩＴＯ陰極層２の上に配置された針状の炭素ナノチューブチップを含む電界放出源３１とを具備して構成される。
【０００５】
図２Ａから図２Ｊは、従来の電界放出素子の製造方法のうち、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に予め三極構造を形成する工程を示す図面である。
まず、図２Ａに示すように、基板１上にＩＴＯ電極層２を積層した後、マスク陰極層３を蒸着する。このとき、基板１としては従来公知のガラスを用いることができ、マスク陰極層３としては金属層またはアモルファスシリコンのような紫外線を効果的に吸収して充分に遮断することが可能な物質を利用する。
【０００６】
つぎに、図２Ｂに示すように、マスク陰極層３上にフォトレジスト１１−１を塗布してマスク陰極層３の上部にマスク７１−１を配置させた後、紫外線を照射して露光する。露光工程の後で、現像、エッチング及び洗浄工程を経れば図２Ｃに示すようにホール４を有するマスク陰極層３が形成される。
【０００７】
図２Ｄは、マスク陰極層３の上部に絶縁層５を積層する段階を示す。積層が行われた後で、絶縁層５の絶縁特性のために５５０℃以上の高温で焼成し、再びゲート電極６を図２Ｅに示すように積層する。
【０００８】
図２Ｆは、ゲート電極６をパターニングするために、露光、現像、エッチング及び洗浄といった一連のフォトリソグラフィ工程を示す図である。ここで、参照符号７１−２はマスクを、１１−２はフォトレジストを示す。前記のフォトリソグラフィ工程を経れば、図２Ｇに示すようなホール７が形成されたゲート電極６が形成される。ゲート電極６のパターニングが行われた段階の後、湿式または乾式のエッチング工程により絶縁層５及びマスク陰極層３をエッチングして図２Ｈに示すようにウェル８を形成させてＩＴＯ陰極層３の一部をウェル８の底部に露出させる。
【０００９】
また、図２Ｉに示すようにフォトレジスト１１−３を塗布した後、マスク７１−３をこのフォトレジスト１１−３の上に配置させてフォトリソグラフィ工程を行って図２Ｊに示すようなストリップ状のゲート電極６をパターニングする。
【００１０】
前記従来の電界放出素子の製造方法では、絶縁層５を蒸着した後で、高温で焼成するため、ガラスから構成される基板１は、その特性上、熱的変形を生じ、整列マークの位置がずれ易い。そして、このようにして整列マークの位置がずれることにより、整列マークの位置で比較的大きな誤差が生じたまま、ゲート電極６を蒸着した後で、図２Ｉに示すようなゲート電極６のパターンを形成すると、ＩＴＯ電極のホール４とウェル８の中央部分が互いに正確に一致しなくなり、炭素ナノチューブ電界放出源３１の位置が所望の中央から左右いずれかの方向に移動することとなる。このようなゲート電極６と炭素ナノチューブ電界放出源３１との整列誤差によって、ゲート電極６とＩＴＯ陰極層２とが互いに接触または非常に近接するようになるが、このとき、漏れ電流の発生や電子放出量の減少が生じ易くなる。
【００１１】
図２Ｋから図２Ｑは、図２Ａから図２Ｊまでの製造工程を経て形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する従来の製造方法を示す図面である。
ウェル８に炭素ナノチューブペーストを注入する段階では、犠牲層を使用してリフトオフする方法、直接整列して注入する方法、及び背面露光して形成させる方法等が挙げられる。これらの方法のうち、直接整列して注入する方法では、装備上の整列誤差及び炭素ナノチューブ物質の粘性により、高アスペクト比を実現することが困難である。また、背面露光して形成させる方法では、犠牲層を使用しないため残渣が比較的多く残存するという問題がある。
【００１２】
したがって、主に炭素ナノチューブペーストを用いて電界放出源を製造するために、図２Ｋから図２Ｑに示すように、フォトレジストを犠牲層とするリフトオフ工程を利用する。
図２Ｋに示すように、図２Ｊで形成された三極構造で、ウェル８、絶縁層５及びゲート電極６を囲繞するようにフォトレジスト１１−４を塗布した後、フォトリソグラフィ工程を行って図２Ｌに示すように絶縁層５及びゲート電極６の上部を除いてウェル８に形成されたフォトレジスト１１−４のみをエッチングする。
【００１３】
前記エッチングが行われた後、図２Ｍに示すようにスクリーンプリンティング法を利用して炭素ナノチューブペースト１２をウェル８内部に注入し、フォトレジスト１１−４を囲繞するように塗布した後、背面露光を行う。ここで、フォトレジスト１１−４は犠牲層として供される。
【００１４】
この背面露光を行えば本来の炭素ナノチューブペースト１２は、図２Ｎに示すように、露光された炭素ナノチューブペースト１３と露光されていない炭素ナノチューブペースト１３’とに分けられる。これはマスク陰極層３の前面に配置された炭素ナノチューブ１３’が紫外線で露光されなかったためである。
【００１５】
この露光が行われた後、アセトンやＮａ2ＣＯ3（０．４％ｗｔ）のような現像液を利用して現像すれば、露光された炭素ナノチューブペースト１３は残存し、露光されていない炭素ナノチューブペースト１３’は犠牲層であるフォトレジスト１１−４が現像液に分散されると同時にリフトオフされる。その結果、図２Ｏに示すような形態の炭素ナノチューブペースト１４が得られる。このとき、露光されていない炭素ナノチューブペーストの残渣１４’が現像液に溶解されずに残存するか、露光された炭素ナノチューブペースト１４の一部が現像液に露出してゲート電極６または絶縁層５に付着する。
【００１６】
このような電界放出素子を４６０℃程度の高温の窒素雰囲気で焼成すれば、図２Ｐに示すように前記電界放出素子が収縮する。そして、この電界放出素子を再び機械的な方法で表面処理すれば炭素ナノチューブペースト１５の内部に陥没した炭素ナノチューブが表面に表れて図２Ｑに示すような炭素ナノチューブ電界放出源３１が形成されるが、やはり残渣１５’が残存することとなる。
【００１７】
炭素ナノチューブペースト及び炭素ナノチューブペースト内の炭素ナノチューブ残渣１６’は、図２Ｏに示すように三極構造の表面に付着して電極間の短絡及び陽極電圧によるダイオードエミッションのような欠陥を引き起こすおそれがある。
【００１８】
図３は、図２Ｄに示すように従来の電界放出素子の製造方法によって製造された電界放出素子で、ゲート電極６と炭素ナノチューブ電界放出源３１との間に整列誤差が発生した状態を示す図である。ゲート電極６に対して炭素ナノチューブ電界放出源３１が右側に偏って互いの中心がずれていることがわかる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記従来技術の問題点を改善するためになされたものであり、その目的は、高温で焼成を行う工程で生じ得るゲート電極と炭素ナノチューブとの整列誤差を除去することによって、ゲート電極と陰極との短絡を防止することが可能な炭素ナノチューブを備えた電界放出素子とその製造方法を提供することにある。
【００２０】
また、本発明の他の目的は、電極間に短絡やダイオードエミッションの原因になり得る炭素ナノチューブペーストの現像工程における炭素ナノチューブペーストの残渣を抑制することが可能な電界放出素子の製造方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
（１）前記目的を達成するための本発明に係る三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子は、基板と、前記基板上に積層される透明な陰極層と、前記陰極層の一部が底部に露出したウェルを有して前記陰極層上に形成される絶縁層と、前記ウェルに対応する開口部を有して前記絶縁層上に配置されたゲート電極と、前記ゲート電極の上部と、前記開口部及び前記ウェルの内壁を囲繞するように形成される光遮断抵抗層と、前記露出した陰極層上に配置された炭素ナノチューブ電界放出源とを具備して構成される。
【００２２】
（２）本発明では、前記光遮断抵抗層がアモルファスシリコンで構成されることが望ましい。
（３）また、本発明では、前記炭素ナノチューブ電界放出源が、前記露出した陰極上に配置された炭素ナノチューブカラム（ｃｏｌｕｍｎ；柱）及びその表面に整列される炭素ナノチューブチップを含んで構成されることが望ましい。
【００２３】
（４）前記目的を達成するための本発明に係る三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法は、基板上に透明な陰極層、絶縁層を順次積層した後で焼成する第１段階と、前記絶縁層上にゲート電極を積層した後で前記ゲート電極の中心部に開口部が形成されるようにパターニングする第２段階と、前記絶縁層に前記開口部に対応するウェルが形成されるようにエッチングして前記ゲート電極がストリップ状に形成されるようにパターニングする第３段階と、前記ゲート電極及び前記ウェルの内壁に光遮断抵抗層を蒸着した後で前記ウェルの底部に陰極が露出するようにパターニングする第４段階と、前記露出した陰極上に炭素ナノチューブ電界放出源を形成する第５段階とを含んで構成される。
【００２４】
（５）本発明では、前記光遮断抵抗層がアモルファスシリコンで形成されることが望ましい。
（６）また、本発明では、前記光遮断抵抗層が化学気相蒸着法を利用して形成されることが望ましい。
（７）更に、本発明では、前記炭素ナノチューブ電界放出源が、前記露出した陰極上に配置された炭素ナノチューブカラム及びその表面に整列される炭素ナノチューブチップを含むことが望ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態の電界放出素子とその製造方法について詳細に説明する。
ここで、同じ構成要素については、たとえ異なる図面であっても同一の参照番号を附して重複した説明を省略する。
【００３０】
図４は本発明に係る実施形態の電界放出素子を模式的に示す断面図である。
図４に示すように、基板１１１上に陰極層１１２が積層されており、陰極層１１２上にはウェル１１８を有する絶縁層１１５が形成されている。そして、絶縁層１１５の上部にはウェル１１８が延びる開口部１１８’を有するストリップ状のゲート電極１１６がパターニングされており、ゲート電極１１６及びウェル１１８の内壁をすべて囲繞するように光遮断抵抗層１２０が形成されている。
【００３１】
また、ウェル１１８の底部には陰極層１１２が一部露出している。そして、この陰極層１１２上には、炭素ナノチューブカラム及びその上部に、炭素ナノチューブチップが整列された炭素ナノチューブ電界放出源１３１が配置されている。
【００３２】
図５Ａから図５Ｒは、図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法を模式的に示す断面図である。
まず、図５Ａに示すように、基板１１１上にＩＴＯより構成される陰極層１１２を蒸着する。前記したように背面露光のために透明な伝導性物質でＩＴＯ陰極層１１２を形成する。
【００３３】
つぎに、図５Ｂに示すように、陰極層１１２上に絶縁層１１５を成膜して５５０℃以上の高温で焼成する。本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法では、従来の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法と異なり、マスク陰極層３を除去して直ちに絶縁層１１５を陰極層１１２上に蒸着し、陰極パターンを形成する前に焼成工程を行うので、陰極パターンとゲート電極パターンとの間に整列誤差が発生しない。
【００３４】
前記焼成工程が行われた後で、図５Ｃに示すように、絶縁層１１５の上部にゲート電極１１６を積層する。このゲート電極１１６を積層する工程が行われた後で、図５Ｄに示すように、ゲート電極層１１６上にフォトレジスト１１０−１を塗布した後、前記フォトレジスト１０の上部にマスク１１７−１を被覆して露光するといった前記と同様の一連のフォトリソグラフィ工程を行う。
【００３５】
このようなフォトリソグラフィ工程により形成されたゲートパターンを図５Ｅに示す。ゲート電極１１６に形成されたホール１１７に対応して絶縁層１１５を図５Ｆに示すようにエッチングする。エッチングされた空間は炭素ナノチューブペースト１５１が印刷されるウェル１１８である。
【００３６】
図５Ｇは、ゲート電極１１６のストリップ状のパターンを形成するために露光、現像、エッチング及び洗浄の工程を含む一連のフォトリソグラフィ工程を示しており、前記フォトリソグラフィ工程により形成されたゲート電極１１６のパターンが図５Ｈに示されている。ここで、参照符号１１０−２はフォトレジストを示し、１７１−２はマスクを示す。
【００３７】
そして、図５Ｉに示すように、アモルファスシリコンのような抵抗成分を有して紫外線を遮断する物質をゲート電極１１６及びウェル１１８の内壁に蒸着する。前記紫外線遮断物質より構成される光遮断抵抗層１２０は段差形状の塗布が容易な化学気相蒸着法（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用して蒸着する。
【００３８】
つぎに、図５Ｊに示すように、フォトレジスト１１０−３を塗布してその上部にマスク１７１−３を配置させて露光及び現像を含むフォトリソグラフィ工程を行い、図５Ｋに示すようにウェル１１８の底部に陰極層１１２を露出させる。この工程の後で、図５Ｌに示すようにウェル１１８及び紫外線を遮断する光遮断抵抗層１２０をフォトレジスト１１０−４で全体的に塗布し、マスク１７１−４をその上部に配置させてフォトリソグラフィ工程を行って図５Ｍに示すようにフォトレジスト１１０−４をパターニングする。
【００３９】
ウェル１１８及びウェル１１８の底部に露出した陰極１１２上のフォトレジスト１１０−４は除去されて、フォトレジスト１１０は図５Ｍに示すように紫外線を遮断する光遮断抵抗層１２０上にのみ積層されている。
そして、図５Ｎに示すように、炭素ナノチューブペースト１３０を、ウェル１１８を含む空間に注入してフォトレジスト１１０を被覆するように塗布した後、基板１１１の背面に紫外線を照射して炭素ナノチューブペースト１３０を露光させる。更に、図５Ｏに示すように、炭素ナノチューブペースト１３０は、紫外線を遮断する光遮断抵抗層１２０によって、露光された炭素ナノチューブペースト１３２と露光されていない炭素ナノチューブ１３２’とに分けられる。
【００４０】
続いて、現像工程を行うことにより、図５Ｐに示すように露光されていない炭素ナノチューブペースト１３２’が除去され、露光された炭素ナノチューブペースト１３２が残存する。引き続き、焼成工程を行うことにより、図５Ｑに示すように炭素ナノチューブペースト１３２の高さが低くなって炭素ナノチューブカラム１３３が形成され、この炭素ナノチューブカラム１３３を表面処理すれば、図５Ｒに示すように、針状の炭素ナノチューブが整列された電界放出源１３４が形成される。
【００４１】
図６は本発明に係る第１実施形態の製造方法により製造された三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子を示す写真である。図６に示すように、本発明に係る第１実施形態の電界放出素子の製造方法により製造された三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子は、図３に示す従来の電界放出素子とは異なり、炭素ナノチューブを備えた電界放出源１３１と紫外線を遮断する光遮断抵抗層１２０とが、整列誤差を生じることなく、より正確な位置に配置されて形成されていることがわかる。
【００４２】
本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法は、比較的大面積の電界放出素子を具現する際に、高温で行われる焼成工程で生じ得るゲート電極パターンと陰極パターンとの整列誤差を抑制することで、炭素ナノチューブの電子放出によるゲート電極と陰極電極との電気的短絡現象を防止することができるという長所を備えている。
【００４３】
しかし、炭素ナノチューブペーストを印刷する工程で、従来の液状フォトレジストを犠牲層として背面露光した後でリフトオフする方式を採用すると、露光されていない炭素ナノチューブ、または炭素ナノチューブペーストの残渣が残存して、前記ゲート電極と陰極電極との間の電気的短絡現象や陽極電圧による電子放出などの欠陥を発生させる場合がある。
【００４４】
そこで、本発明は、このような問題点を解消すべく、本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法を提案する。すなわち、本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法は、炭素ナノチューブペーストの現像を行う際に、残渣の存在による性能低下を防止すべく陰極表面に保護層を積層する。
【００４５】
図７Ａから図７Ｈに本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法を示す。
図７Ａは、本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、１例として用いた、図２Ｊに示すような従来の電界放出素子の三極構造を模式的に示す断面図である。参照符号２１１は基板を示し、参照番号２１２はＩＴＯ電極層を示し、参照番号２１３はゲート電極を示し、参照番号２１５は絶縁層を示し、参照番号２１６はゲート電極を示す。
【００４６】
図７Ｂに示すように、フォトレジストの１種であるＤＦＲフィルムのような、現像液を処理する際にも残存する物質を使用して保護層２１７を絶縁層２１５及びゲート電極２１６の上部に積層した後、マスク２７１をその上部に配置させて露光及び現像工程を含むフォトリソグラフィ工程を通して図７Ｃに示すように保護層２１７をパターニングしてゲート電極２１６、絶縁層２１５及びマスク陰極層２１３を順次エッチングしてウェル２１８を形成する。
【００４７】
前記のパターニング工程の後で、図７Ｄに示すように、ウェル２１８に炭素ナノチューブペースト２２０を注入して保護層２１７上にも炭素ナノチューブペースト２２０が被覆されるように塗布する。
このように塗布が行われた後、基板２１１の背面に紫外線を照射して背面露光を行えば、マスク陰極層２１３が形成された部分の前面では紫外線が遮断されて炭素ナノチューブペースト２２１’及び保護層２１７が露光されず、マスク陰極層２１３がエッチングされてＩＴＯ陰極層２１２が露出した部分の前面では紫外線が通過するので、この部分に配置された炭素ナノチューブペースト２２１のみが感光されて図７Ｅに示す形態となる。
【００４８】
露光工程の後で、現像液（例えば、Ｎａ2ＣＯ3溶液）で現像すれば露光されていない炭素ナノチューブ２２１’が除去され、図７Ｆに示すように、ＤＦＲ（Ｄｒｙ Ｆｉｌｍ Ｒｅｌｅａｓｅ）フィルムより構成される保護層２１７は残存する。本発明では、保護層２１７をリフトオフするために４％ＮａＯＨ溶液を使用するのが望ましいが、ＤＦＲフィルムより構成される保護層２１７はＮａＯＨ溶液に溶解されずに、フィルム自体の形態を維持しながら表面からそのままリフトオフされて、溶液内の炭素ナノチューブの残渣が残存することを抑制する。図７Ｆに、保護層２１７がゲート電極２１６からリフトオフされる工程を示す。
【００４９】
ここで、露光されていない炭素ナノチューブ２２１’と保護層２１７とを分離して除去する代わりに、図７Ｆの段階で、ＮａＯＨ溶液を用いて処理すれば、炭素ナノチューブ２２１’及び保護層２１７とが同時に、露光された炭素ナノチューブ２２１及びゲート電極２１６からリフトオフされる。
【００５０】
このようなリフトオフは、炭素ナノチューブ２２１’と保護層２１７とが化学的に結合され、更に、保護層２１７がフィルム型のＤＦＲであることによってはじめて可能となる技術である。このことは本発明で特筆すべきことである。
【００５１】
すなわち、従来の液状フォトレジストを使用した場合には、露光されていない炭素ナノチューブ及びフォトレジストが現像液に分散されてしまうので、前記のような化学的な結合も形成されない。したがって、従来の液状フォトレジストを使用したときには、このようにして炭素ナノチューブ２２１’及び保護層２１７とを同時に、露光された炭素ナノチューブ２２１及びゲート電極２１６からリフトオフさせて、炭素ナノチューブ２２１’及び保護層２１７と、露光された炭素ナノチューブ２２１及びゲート電極２１６とを同時に分離することは不可能であった。
【００５２】
本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で例示したＤＦＲフィルムは保護層としての１例に過ぎない。すなわち、本発明にあっては、炭素ナノチューブと化学結合を形成し、かつ現像液上でも固体状で残存して、三極構造から適切にリフトオフされる物質であれば保護層として用いることが可能である。
【００５３】
従来の電界放出素子の製造方法で炭素ナノチューブペーストの残渣が発生する理由は、露光されていない炭素ナノチューブ及び犠牲層であるフォトレジストがリフトオフを行う工程で現像液に分散され、陰極の最上部にある炭素ナノチューブペーストが現像液に露出するためである。
【００５４】
これに対して、本発明では、前記炭素ナノチューブペーストの残渣の発生を防止すべく、露光されていない炭素ナノチューブと化学的な結合を形成する物質である１例のＤＦＲフィルムを保護層として塗布することにより、現像液上でも分散されないようにして、リフトオフを行う工程でゲート電極層を保護して露光された炭素ナノチューブが現像液に直接接触しないようにする。したがって、本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法では、露光されていない炭素ナノチューブが残存しない。
【００５５】
前記のリフトオフ工程の後、図７Ｇに示すように焼成工程を実行して炭素ナノチューブカラム２２４の高さを低くして表面処理を行えば、図７Ｈに示すように、針状の炭素ナノチューブ２２５が電界放出源として作用する電界放出素子が完成される。
【００５６】
本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法は、図２Ｊに示すような従来の三極構造を有する炭素ナノチューブにも適用できるのみならず、図５Ｋに示すような前記した本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法による三極構造にも適用できる。
【００５７】
すなわち、図５Ｋに示す工程で形成された紫外線を遮断する光遮断抵抗層１２０に塗布されるようにＤＦＲフィルムより構成される保護層２１７をパターニングした後、図７Ｄから図７Ｈに示す工程と同様の工程を実行して図５Ｒに示すような形態の電界放出素子を製造することが可能である。
【００５８】
ただし、本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で製造された電界放出素子と、本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で製造された電界放出素子との相違点は、前者が紫外線を遮断するために紫外線遮断マスク陰極層を具備しているのに対し、後者は紫外線を遮断するために紫外線を遮断する光遮断抵抗層を具備しているという点のみである。
【００５９】
本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法は、炭素ナノチューブペーストを現像する際に発生し得る残渣を抑制することによって、陰極表面を保護して電極間の短絡やダイオードエミッションを防止することができる。
【００６０】
図８は本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で犠牲層として液状フォトレジストを使用して製造された電界放出素子の電子放出の状態を示す写真であり、図９は本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で犠牲層としてＤＦＲフィルムを使用して製造された電界放出素子の電子放出の状態を示す写真である。
【００６１】
図９に示す本発明に係る第２実施形態の製造方法で犠牲層にＤＦＲフィルムを用いて製造された製造された電界放出素子は、図８に示す本発明に係る第２実施形態の製造方法で犠牲層に液状フォトレジストを用いて製造された電界放出素子に比べてより明るい光を放射していることから、前記ＤＦＲフィルムを犠牲層に用いた場合には、炭素ナノチューブの残渣が更に効果的に除去されることがわかる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明した通りに構成される本発明によれば以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法によれば、マスク陰極層を除去して直ちに絶縁層を陰極層上に蒸着し、陰極パターンを形成する前に高温での焼成工程を行うので、この電界放出素子のゲート電極と陰極との整列誤差を抑制することが可能である。その結果、電流の漏れが防止されて、電子放出性能が更に向上された三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子を提供することができる。
【００６３】
また、本発明に係る三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法によれば、炭素ナノチューブペーストの現像処理を行う工程で残渣の発生を抑制することができる。その結果、電極間の短絡やダイオードエミッションが効果的に防止された三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の１例の電界放出素子を模式的に示す断面図である。
【図２Ａ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、基板上にＩＴＯ電極層を積層した後、マスク陰極層を蒸着する工程を模式的に示す断面図である。を示す断面図である。
【図２Ｂ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、マスク陰極層上にフォトレジストを塗布してマスク陰極層の上部にマスクを配置させた後、紫外線を照射して露光する工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｃ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、ホールを有するマスク陰極層が形成される工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｄ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、マスク陰極層の上部に絶縁層を積層する工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｅ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、図２Ｄに示すような積層が行われた工程の後でゲート電極を積層する工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｆ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、ゲート電極をパターニングするためのフォトリソグラフィ工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｇ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、図２Ｆに示す工程の後でホールが形成されたゲート電極が形成された状態を模式的に示す断面図である。
【図２Ｈ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、図２Ｊに示すゲート電極のパターニングが行われた段階の後、ＩＴＯ陰極層の一部をウェルの底部に露出させる工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｉ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、フォトレジストを塗布した後、マスクをその上部に配置させてフォトリソグラフィ工程を行う工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｊ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、炭素ナノチューブペーストを印刷する前に三極構造を形成する工程のうち、図２Ｉに示す工程を経て形成ストリップ状のゲート電極をパターニングする工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｋ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、図２Ａから図２Ｊまでの工程で形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する工程のうち、図２Ｊに示す工程で形成された三極構造でウェル、絶縁層及びゲート電極を囲繞するようにフォトレジストを塗布する工程を模式的に示す断面図である。した後、フォトリソグラフィ工程を行う工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｌ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、図２Ａから図２Ｊまでの工程で形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する工程のうち、図２Ｋに示す工程の後でフォトリソグラフィ工程を行い、絶縁層及びゲート電極の上部を除いてウェルに形成されたフォトレジストのみをエッチングする工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｍ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、図２Ａから図２Ｊまでの工程で形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する工程のうち、図２Ｌに示すエッチング工程の後で、スクリーンプリンティング法を利用して炭素ナノチューブペーストをウェル内部に注入し、フォトレジストを囲繞するように塗布した後、背面露光を行う工程を模式的に示す断面図である。
【図２Ｎ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、図２Ａから図２Ｊまでの工程で形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する工程のうち、図２Ｍの工程で背面露光を行うことにより、炭素ナノチューブペーストが、露光された炭素ナノチューブペーストと露光されていない炭素ナノチューブペーストとに分けられる状態を模式的に示す断面図である。
【図２Ｏ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、図２Ａから図２Ｊまでの工程で形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する工程のうち、露光が行われた後、現像され露光された炭素ナノチューブペーストが残存し、露光されていない炭素ナノチューブペーストは犠牲層であるフォトレジストが現像液に分散されると同時にリフトオフされて、炭素ナノチューブペーストが得られた状態を模式的に示す断面図である。
【図２Ｐ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、図２Ａから図２Ｊまでの工程で形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する工程のうち、図２Ｏに示す工程を経た電界放出素子を窒素雰囲気で焼成することにより、電界放出素子が収縮した状態を模式的に示す断面図である。
【図２Ｑ】図１に示す従来の１例の電界放出素子の製造方法において、図２Ａから図２Ｊまでの工程で形成された三極構造の炭素ナノチューブを電界放出源として形成する工程のうち、図２Ｐに示す電界放出素子を再び機械的な方法で表面処理することにより、炭素ナノチューブペーストの内部に陥没した炭素ナノチューブが表面に表れて炭素ナノチューブ電界放出源が形成された状態を模式的に示す断面図である。
【図３】図２Ａから図２Ｑに示す従来の電界放出素子の製造方法によって製造された電界放出素子を示す写真である。
【図４】本発明に係る第１実施形態の電界放出素子を模式的に示す断面図である。
【図５Ａ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、基板上にＩＴＯより構成される陰極層を蒸着する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｂ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、陰極層上に絶縁層を成膜して焼成する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｃ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、絶縁層の上部にゲート電極を積層する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｄ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、ゲート電極層上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストの上部にマスクを被覆して露光する一連のフォトリソグラフィを行う工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｅ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図５Ｄに示すフォトリソグラフィ工程で形成されたゲートパターンを模式的に示す断面図である。
【図５Ｆ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、ゲート電極に形成されたホールに対応して絶縁層１１５をエッチングする工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｇ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、ゲート電極のストリップ状のパターンを形成するために一連のフォトリソグラフィを行う工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｈ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図５Ｇに示すフォトリソグラフィ工程で形成されたゲート電極のパターンを模式的に示す断面図である。
【図５Ｉ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、紫外線を遮断する物質をゲート電極及びウェルの内壁に蒸着する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｊ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、フォトレジストを塗布してその上部にマスクを配置させて露光及び現像を含む一連のフォトリソグラフィ工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｋ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、ウェルの底部に陰極層を露出させる工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｌ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、ウェル及び紫外線を遮断する光遮断抵抗層をフォトレジストで全体的に塗布する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｍ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図５Ｌに示す工程の後でマスクをその上部に配置させてフォトリソグラフィ工程を行い、フォトレジストをパターニングする工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｎ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、炭素ナノチューブペーストを、ウェルを含む空間に注入してフォトレジストを被覆するように塗布する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｏ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、炭素ナノチューブペーストが、紫外線を遮断する光遮断抵抗層により露光された炭素ナノチューブペーストと、露光されていない炭素ナノチューブとに分けられる工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｐ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、現像工程により、露光されていない炭素ナノチューブペーストが除去されて、露光された炭素ナノチューブペーストが残留する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｑ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、炭素ナノチューブペーストの高さを低くして炭素ナノチューブカラムを形成する工程を模式的に示す断面図である。
【図５Ｒ】図４に示す本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図５Ｑに示す炭素ナノチューブカラムを表面処理して針状の炭素ナノチューブが整列した電界放出源を形成する工程を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明に係る第１実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法によって製造された電界放出素子を示す写真である。
【図７Ａ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で用いた従来の１例の電界放出素子の三極構造を模式的に示す断面図である。
【図７Ｂ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、保護層を絶縁層及びゲート電極の上部に積層する工程を模式的に示す断面図である。
【図７Ｃ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図７Ｂに示す工程の後で、露光及びフォトリソグラフィ工程を通して、保護層をパターニングしてゲート電極、絶縁層及びマスク陰極層を順次エッチングしウェルを形成する工程を模式的に示す断面図である。
【図７Ｄ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図７Ｃに示す工程の後で、ウェルに炭素ナノチューブペーストを注入して保護層上に炭素ナノチューブペーストが被覆されるように塗布する。
【図７Ｅ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図７Ｄに示す工程の後で、基板の背面に紫外線を照射して背面露光を行う工程を模式的に示す断面図である。
【図７Ｆ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図７Ｅに示す工程の後で、現像を行い、露光されていない炭素ナノチューブを除去し、保護層を残存させて保護層をゲート電極からリフトオフさせる工程を模式的に示す断面図である。
【図７Ｇ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図７Ｆに示す工程の後で、焼成工程を実行して炭素ナノチューブカラムの高さを低くする工程を模式的に示す断面図である。
【図７Ｈ】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、図７Ｇに示す工程の後で、表面処理を行って電界放出源として作用する針状の炭素ナノチューブを備えた電界放出素子を完成させる工程を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、従来技術で使用されている液状フォトレジストを犠牲層として製造された電界放出素子の電子放出の状態を示す写真である。
【図９】本発明に係る第２実施形態の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法で、本発明で使用されるＤＦＲフィルムを犠牲層として製造された電界放出素子の電子放出を示す写真である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 電極層
３ マスク陰極層
５ 絶縁層
６ ゲート電極
８ ウェル
３１ 炭素ナノチューブ電界放出源
１１−１、１１−２、１１−３、１１−４ フォトレジスト
７１−１、７１−２、７１−３ マスク
１１０−１、１１０−２、１１０−３、１１０−４ フォトレジスト
１１１ 基板
１１２ 陰極層
１１５ 絶縁層
１１６ ゲート電極
１１８ ウェル
１１７−１、１１７−２ マスク
１１８ ウェル
１１８’ 開口部
１２０ 光遮断抵抗層
１３１ 炭素ナノチューブ電界放出源
１３２ 炭素ナノチューブペースト
１３２’ 炭素ナノチューブ
１３３ 炭素ナノチューブカラム
２１１ 基板
２１２ ＩＴＯ電極層
２１３ ゲート電極
２１５ 絶縁層
２１６ ゲート電極
２１７ 保護層
２１８ ウェル
２２０、２２１ 炭素ナノチューブペースト
２２１’ 炭素ナノチューブ
２２４ 炭素ナノチューブカラム
２２５ 炭素ナノチューブ
２７１ マスク
Claims (7)
- 基板と、
前記基板上に積層される透明な陰極層と、
前記陰極層の一部が底部に露出したウェルを有し、前記陰極層上に形成される絶縁層と、
前記ウェルに対応する開口部を有し、前記絶縁層上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極の上部と、前記開口部及び前記ウェルの内壁を囲繞するように形成される光遮断抵抗層と、
前記露出した陰極層上に配置された炭素ナノチューブ電界放出源と、
を具備することを特徴とする三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子。 - 前記光遮断抵抗層は、アモルファスシリコンで構成されることを特徴とする請求項１に記載の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子。
- 前記炭素ナノチューブ電界放出源は、前記露出した陰極上に配置された炭素ナノチューブカラム、及びその表面に整列される炭素ナノチューブチップを含むことを特徴とする請求項１に記載の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子。
- 請求項１に記載の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法であって、
基板上に透明な陰極層、絶縁層を順次積層した後、焼成する第１段階と、
前記絶縁層上にゲート電極を積層した後、前記ゲート電極の中心部に開口部が形成されるようにパターニングする第２段階と、
前記絶縁層に前記開口部に対応するウェルが形成されるようにエッチングし、前記ゲート電極がストリップ状に形成されるようにパターニングする第３段階と、
前記ゲート電極及び前記ウェルの内壁に光遮断抵抗層を蒸着した後、前記ウェルの底部に陰極が露出するようにパターニングする第４段階と、
前記露出した陰極上に炭素ナノチューブ電界放出源を形成する第５段階と、
を含むことを特徴とする三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法。 - 前記光遮断抵抗層は、アモルファスシリコンで形成されることを特徴とする請求項４に記載の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法。
- 第４段階で、前記光遮断抵抗層は化学気相蒸着法を利用して形成されることを特徴とする請求項５に記載の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法。
- 前記炭素ナノチューブ電界放出源は、前記露出した陰極上に配置された炭素ナノチューブカラム、及びその表面に整列される炭素ナノチューブチップを含むことを特徴とする請求項４に記載の三極構造を有する炭素ナノチューブを備えた電界放出素子の製造方法。
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