JP4763973B2

JP4763973B2 - 冷陰極素子及びその製造方法

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Description

本発明は、冷陰極素子及びその製造方法に係り、特に冷陰極として炭素系微細繊維を備えた冷陰極素子及びその製造方法に関する。

冷陰極素子は、電子を放出する冷陰極を備えた構成とされており、近年、冷陰極には電子放出特性に優れた炭素系微細繊維であるカーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバー、カーボンナノコイル等が適用されている。このような冷陰極素子は、ディスプレイや撮像素子等に適用されており、ディスプレイに適用した場合には、１つのサブピクセルに対して２０〜１０００個程度の冷陰極素子が設けられる場合がある。

図１は、冷陰極に炭素系微細繊維を用いた従来の冷陰極素子の断面図である。なお、図１に示した冷陰極素子１０は、炭素系微細繊維を化学的気相成長法（以下、ＣＶＤ法）により形成した場合のものである。

図１に示すように、冷陰極素子１０は、大略すると基板１１と、カソード電極１２と、絶縁層１３と、ゲート電極１４と、電子を放出する冷陰極である炭素系微細繊維１５と、触媒金属１７とを有した構成とされている。触媒金属１７は、炭素系微細繊維１５を析出させるためのものである。

基板１１上には、カソード電極１２と、触媒金属１７と、絶縁層１３と、ゲート電極１４とが順次形成されている。絶縁層１３には、開口部１３Ａが形成されており、ゲート電極１４には、炭素系微細繊維１５から放出された電子を通過させるための開口部１４Ａが形成されている。

カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバー、カーボンナノコイル等の炭素系微細繊維１５を形成する際には、印刷法やＣＶＤ法が用いられる。印刷法により炭素系微細繊維１５を形成する場合には、あらかじめアーク放電法やレーザ蒸発法により作製した炭素系微細繊維をフィラー等と混合させ、ペースト状にした部材を開口部１３Ａ，１４Ａを介して、カソード電極１２に塗布して、炭素系微細繊維１５を形成する。なお、印刷法の場合には、図１に示した触媒金属１７を設ける必要はない。

また、ＣＶＤ法により炭素系微細繊維１５を形成する場合には、炭素系微細繊維１５を形成したいカソード電極１２上の領域に触媒となる触媒金属１７を形成し、赤外線を照射して基板１１を加熱させて、炭素を含むガスと触媒金属１７とを反応させることで、触媒金属１７から炭素系微細繊維１５を析出させることができる（例えば、特許文献１及び２参照。）
特開平１０−１４９７６０号公報特開２００２−１１５０５７号公報

しかしながら、ゲート電極１４に形成された開口部１４Ａの径は小さいため、印刷法により開口部１４Ａを介してペースト状の部材をカソード電極１２上に設けることは困難である。また、開口部１４Ａを介してペースト状の部材をカソード電極１２上に設けることができたとしても、ペースト状の部材がゲート電極１４と接触しないようにすることは困難であり、ペースト状の部材を介してゲート電極１４とカソード電極１２との間が電気的に接続され、ゲート電極１４とカソード電極１２との間で短絡が発生してしまうという問題があった。

ＣＶＤ法を用いた場合には、カソード電極１２上の微細な領域に触媒金属１７を設けて、炭素系微細繊維１５を析出させることは可能であるが、炭素系微細繊維１５を析出させる際、基板１１を赤外線又はヒータ等により加熱するため、基板１１面内に温度分布が生じる。この基板１１面内の温度分布により、基板１１上に設けられた複数の冷陰極素子１０の炭素系微細繊維１５の成長速度に差が生じて、冷陰極素子１０間の電子放出特性が異なってしまうという問題があった。

図２は、炭素系微細繊維とゲート電極とが接触して短絡した冷陰極素子の断面図である。また、成長の遅い炭素系微細繊維１５を所望の長さまで成長させた場合、図２に示すように、成長の速い炭素系微細繊維１５を有した冷陰極素子において、炭素系微細繊維１５とゲート電極１４とが接触して、ゲート電極１４とカソード電極１２との間で短絡が発生してしまうという問題があった。さらに、ゲート電極１４とカソード電極１２との間に電界を印加して、炭素系微細繊維１５から電子を放出させた際、ゲート電極１４と対向する炭素系微細繊維１５から多くの電子が放出され、この放出された電子がゲート電極１４に到達して、冷陰極素子１０の電子放出特性が低下してしまうという問題があった。

ここで、図３を参照して、電子放出特性について説明する。図３は、図１に示した従来の冷陰極素子を備えた冷陰極ディスプレイの断面図である。なお、図３に示した電子Ｂの軌道は模式的に示したものである。冷陰極ディスプレイ２０は、基板２１と、アノード電極２２と、蛍光体２３と、複数の冷陰極素子１０とより構成されている。基板２１には、アノード電極２２と、蛍光体２３とが順次形成されている。図３中に示した電流Ｉａはアノード電極２２と炭素系微細繊維１５との間に流れる電流（アノード電極２２に到達する電子Ｂの量）、電流Ｉｂは炭素系微細繊維１５とゲート電極１４との間に流れる電流（ゲート電極１４に到達する電子Ｂの量）、電流Ｉは全体に流れる電流（Ｉ＝Ｉａ＋Ｉｂ）をそれぞれ示している。電子放出効率は、Ｉａ／Ｉで示され、この値が１に近いほど（Ｉａが大きいほど）電子を放出する効率、つまり電子放出効率が良い。

そこで本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、炭素系微細繊維がゲート電極と接触することによる短絡を低減させると共に電子放出特性を向上させることのできる冷陰極素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。

請求項１記載の発明では、ガラス基板上に形成された金属製のカソード電極と、該カソード電極を露出し、開口下端から開口上端までの開口幅が略一定の第１の開口部を有した第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上に形成され、前記第１の開口部に連通し、カソード電極から離れるにつれて開口幅が徐々に小さくなる突出部により形成される第２の開口部を有した第２の絶縁層と、該第２の絶縁層上に形成され、前記第２の開口部に連通し、前記第２の開口部の最小の開口幅よりも小さい開口幅からなる第３の開口部を有したゲート電極と、前記第１の開口部、前記第２の開口部、及び前記第３の開口部によって露出された前記カソード電極上に全体的に形成され、電子を放出する冷陰極である炭素系微細繊維とを備え、前記第１乃至３の開口部の中心は、略同一であり、前記第１の開口部の前記第２の開口部側の開口幅と、前記第２の開口部の前記第１の開口部側の開口幅とが等しく、成長しすぎた前記炭素系微細繊維を前記突出部と接触させて前記ゲート電極と前記カソード電極との短絡を低減することを特徴とする冷陰極素子により、解決できる。

上記発明によれば、第１の絶縁層上に、最小となる開口幅がゲート電極に設けられた第３の開口部の開口幅よりも大きく、かつカソード電極から離れるにつれて開口幅が徐々に小さくなる第２の開口部を有した第２の絶縁層を設けることで、炭素系微細繊維が成長しすぎた際、第２の絶縁層により炭素系微細繊維とゲート電極とが接触することを防いで、ゲート電極とカソード電極との間の短絡を低減することができる。また、炭素系微細繊維から放出された電子により第２の絶縁層を負に帯電させ、ゲート電極に設けられた第３の開口部と対向する炭素系微細繊維からゲート電極に流れる電流を低減させて、電子放出効率を向上させることができる。

請求項２記載の発明では、ガラス基板上に形成された金属製のカソード電極と、該カソード電極を露出し、前記カソード電極から離れるにつれて開口幅が徐々に大きくなる第１の開口部を有した第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上に形成され、前記第１の開口部に連通し、カソード電極から離れるにつれて開口幅が徐々に小さくなり、その後ゲート電極に向かうにつれて開口幅が徐々に大きくなる突出部により形成される第２の開口部を有した第２の絶縁層と、該第２の絶縁層上に形成され、前記第２の開口部に連通し、前記第２の開口部の最小の開口幅よりも小さい開口幅からなる第３の開口部を有したゲート電極と、前記第１の開口部、前記第２の開口部、及び前記第３の開口部によって露出された前記カソード電極上に全体的に形成され、電子を放出する冷陰極である炭素系微細繊維とを備え、前記第１乃至３の開口部の中心は、略同一であり、前記第１の開口部の前記第２の開口部側の開口幅と、前記第２の開口部の前記第１の開口部側の開口幅とが等しく、前記突出部の径は、成長しすぎた前記炭素系微細繊維が接触するように形成されており、成長しすぎた前記炭素系微細繊維を前記突出部と接触させて前記ゲート電極と前記カソード電極との短絡を低減することを特徴とする冷陰極素子により、解決できる。

請求項３記載の発明では、電子を放出する冷陰極として炭素系微細繊維を備えた冷陰極素子の製造方法であって、金属製のカソード電極上に、第１の絶縁層を形成する工程と、前記第１の絶縁層の上に、該第１の絶縁層よりもエッチングレートの小さい材料で第２の絶縁層を形成する工程と、該第２の絶縁層上にゲート開口部を有したゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクとして、異方性エッチングにより第１及び第２の絶縁層をエッチングして、前記ゲート開口部と連通して前記カソード電極を露出させる第１及び第２の開口部を形成する工程と、該第１及び第２の開口部を形成する前記第１及び第２の絶縁層の側面を前記ゲート開口部を介して等方性エッチングによりエッチングすることにより、前記第１の開口部内では開口下端から開口上端まで開口幅を略一定にするとともに、前記第２の開口部内では開口幅を前記ゲート開口部に向けて徐々に小さくする工程とを備え、前記第１及び第２の開口部を形成する工程において、前記第１の開口部の前記第２の開口部側の開口幅と、前記第２の開口部の前記第１の開口部側の開口幅とを等しくすることを特徴とする冷陰極素子の製造方法により、解決できる。

上記発明によれば、ゲート電極のゲート開口部を介して、第１の絶縁層よりもエッチングレートの小さい材料で形成された第２の絶縁層と第１の絶縁層とを異方性エッチングした後に、第１及び第２の開口部を形成する第１及び第２の絶縁層の側面を等方性エッチングすることで、第１の絶縁層に形成された第１の開口部よりも小さく、かつゲート電極に形成されたゲート開口部よりも大きい第２の開口部を第２の絶縁層に形成することができる。これにより、炭素系微細繊維が成長しすぎた際、第２の絶縁層に炭素系微細繊維を接触させて、ゲート電極とカソード電極との間の短絡を低減することができる。また、炭素系微細繊維から放出された電子により第２の絶縁層を負に帯電させ、ゲート電極に設けられたゲート開口部と対向する炭素系微細繊維からゲート電極に流れる電流を低減させて、電子放出効率を向上させることができる。

請求項４記載の発明では、電子を放出する冷陰極として炭素系微細繊維を備えた冷陰極素子の製造方法であって、金属製のカソード電極上に、第１の絶縁層を形成する工程と、前記第１の絶縁層の上に、該第１の絶縁層よりもエッチングレートの小さい材料で第２の絶縁層を形成する工程と、該第２の絶縁層上にゲート開口部を有したゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクとして、等方性エッチングを行うことにより、前記ゲート開口部を介して、前記第１の絶縁層内に前記カソード電極から離れるにつれて開口幅が徐々に大きくなる第１の開口部を形成するとともに、前記第２の絶縁層内にカソード電極から離れるにつれて開口幅が徐々に小さくなり、その後前記ゲート電極に向かうにつれて開口幅が徐々に大きくなり、最小の開口幅が前記ゲート開口部よりは大きい突出部により形成される第２の開口部を形成する工程とを備え、前記第１及び第２の開口部を形成する工程において、前記第１の開口部の前記第２の開口部側の開口幅と、前記第２の開口部の前記第１の開口部側の開口幅とを等しくするとともに、成長しすぎた前記炭素系微細繊維が前記突出部に接触するように前記突出部の径を形成することを特徴とする冷陰極素子の製造方法により、解決できる。

上記発明によれば、第１の絶縁層上に形成され、第１の絶縁層よりもエッチングレートの小さい材料で形成された第２の絶縁層と第１の絶縁層とを等方性エッチングすることにより、第２の絶縁層の第２の開口部の中心に向かって突出する突出部を第２の絶縁層に形成することができる。これにより、炭素系微細繊維が成長しすぎた際、突出部に炭素系微細繊維を接触させて、ゲート電極とカソード電極との間の短絡を低減することができる。また、炭素系微細繊維から放出された電子により突出部を負に帯電させ、ゲート電極に形成された開口部と対向する炭素系微細繊維からゲート電極に流れる電流を低減させて、電子放出効率を向上させることができる。

本発明によれば、炭素系微細繊維がゲート電極と接触することによる短絡を低減させると共に、電子放出特性を向上させることができる。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態）
始めに、図４を参照して、本発明の実施の形態による冷陰極素子３０の構成について説明する。図４は、本発明の実施の形態による冷陰極素子の断面図である。

冷陰極素子３０は、大略すると基板３１と、カソード電極３２と、触媒金属３３と、第１の絶縁層３４と、第２の絶縁層３６と、ゲート電極３７と、冷陰極である炭素系微細繊維３８とを有した構成とされている。

基板３１上には、カソード電極３２が形成されている。カソード電極３２には、例えばＣｒ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属やその合金を用いることができる。カソード電極３２の厚さは、所望の抵抗値から適宜選択することができるが、例えば、１００ｎｍ〜２μｍ程度に形成することができる。カソード電極３２は、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法、めっき法、印刷法等を用いて形成することができる。

触媒金属３３は、カソード電極３２上に形成されている。触媒金属３３は、炭素系微細繊維３８を析出させるためのものである。触媒金属３３には、炭素を含むガスに対して触媒作用を有する金属又は合金が用いられ、例えば、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ等の遷移金属、Ｙ等の希土類、Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ等の貴金属や、これらを含んだ合金や、ＩＴＯ等を用いることができる。触媒金属３３の厚さは、第１の絶縁層３４の膜厚と第２の絶縁層３６と膜厚とを加算した膜厚に基づき、適宜選択することができ、例えば、１ｎｍ〜１μｍ程度に形成することができる。触媒金属３３は、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法、めっき法、印刷法等を用いて形成することができる。なお、カソード電極３２と触媒金属３３は、必要に応じて複数のライン状にパターニングしても良い。

第１の絶縁層３４は、触媒金属３３上に形成されている。第１の絶縁層３４には、カソード電極３２を露出する開口部３４Ａが形成されており、この開口部３４Ａには、冷陰極である炭素系微細繊維３８が配置される。開口部３４Ａは、第１の絶縁層３４と第２の絶縁層３６との界面付近の直径と、第１の絶縁層３４と触媒金属３３との界面付近の直径とが略同一の大きさである円柱形状とされている。開口部３４Ａは、等方性エッチング、或いは等方性エッチングと反応性イオンエッチング等の異方性エッチングとを組み合わせたエッチングにより形成することができる。等方性エッチングには、薬液にＢＨＦ，ＨＦ，熱リン酸等を用いたウエットエッチングや、ＨＦガスを用いたドライエッチングを用いることができる。

第１の絶縁層３４は、第２の絶縁層３６のエッチングレートよりも大きい材料で形成されている。第１の絶縁層３４には、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等を用いることができる。第１の絶縁層３４は、例えば、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法等を用いて形成することができる。

第２の絶縁層３６は、第１の絶縁層３４上に形成されている。第２の絶縁層３６は、第１の絶縁層３４のエッチングレートよりも小さい材料で形成されている。第２の絶縁層３６には、第１の絶縁層３４に形成された開口部３４Ａよりも小さい開口部３６Ａが形成されている。開口部３６Ａは、第１の絶縁層３４と第２の絶縁層３６との界面付近の直径が開口部３４Ａの直径と略同一の大きさに形成されており、開口部３６Ａの直径は、カソード電極３２から離れるにつれて（開口部３４Ａ側からゲート電極３７側に向かうにつれて）徐々に小さくなるような形状とされている。また、開口部３６Ａの中心は、開口部３４Ａの中心と略同一となるように形成されている。

開口部３６Ａは、等方性エッチング、或いは等方性エッチングと反応性イオンエッチング等の異方性エッチングとを組み合わせたエッチングにより形成することができる。等方性エッチングには、薬液にＢＨＦ，ＨＦ，熱リン酸等を用いたウエットエッチングや、ＨＦガスを用いたドライエッチングを用いることができる。

この開口部３６Ａに露出された第２の絶縁層３６には、第１の絶縁層３４と第２の絶縁層３６との界面からゲート電極３７に向かう方向に突出した突出部３９が形成されている。この突出部３９は、炭素系微細繊維３８と対向するゲート電極３７の面の少なくとも一部を覆うように形成されている。突出部３９は、炭素系微細繊維３８と対向する側には傾斜面３９Ａが形成されている。

第２の絶縁層３６には、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等を用いることができる。第２の絶縁層３６は、例えば、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法等を用いて形成することができる。

図５は、炭素系微細繊維が成長しすぎた冷陰極素子の断面図である。上記説明したように、第２の絶縁層３６に炭素系微細繊維３８と対向するゲート電極３７の面の少なくとも一部を覆う突出部３９を設けることにより、炭素系微細繊維３８が成長しすぎた際、図５に示すように、炭素系微細繊維３８と突出部３９とを接触させて、ゲート電極３７とカソード電極３２との間の短絡を低減することができる。

図６は、第１及び第２の絶縁層に適用可能な酸化膜とそのエッチングレートを示した図である。第１及び第２の絶縁層３４，３６には、例えば、図６に示すような酸化膜を適宜組み合わせて用いることができる。

図４に示すように、ゲート電極３７は、開口部３７Ａを有しており、第２の絶縁層３６上に形成されている。開口部３７Ａの直径Ｒ１の大きさは、例えば０．１μｍ〜１００μｍ程度に形成することができる。開口部３７Ａの開口幅は、第２の絶縁層３６に形成された開口部３６Ａの最小となる開口幅よりも小さくなるよう構成されている。また、開口部３７Ａの中心は、開口部３６Ａの中心と略同一となるように構成されている。ゲート電極３７には、例えばＣｒ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属やその合金を用いることができる。ゲート電極３７の厚さは、所望の抵抗値から適宜選択することができるが、例えば、１００ｎｍ〜２μｍ程度に形成することができる。ゲート電極３７は、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法、めっき法、印刷法等を用いて形成することができる。なお、ゲート電極３７は、必要に応じて複数のライン状にパターニングしても良い。

冷陰極である炭素系微細繊維３８は、微細な繊維状の形状に構成されており、
電子を放出するためのものである。炭素系微細繊維３８には、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバー、カーボンナノコイル等を用いることができる。炭素系微細繊維３８は、ガス中において赤外線ランプやヒータ等を用いて６００℃程度まで基板３１を加熱して、触媒金属３３から析出させるか、或いは基板３１を加熱させた上でプラズマを発生させて、触媒金属３３から析出させて形成することができる。上記ガスには、例えば、一酸化炭素、アセチレン、メタン、エチレン等の炭素を含むガスと、ヘリウム、アルゴン、水素、酸素等の希ガスとを混合した混合ガスを用いることができる。

次に、図７乃至図９を参照して、第１実施例の冷陰極素子３０を冷陰極ディスプレイに適用した場合を例に挙げて、本実施例の冷陰極素子３０の電子放出特性について説明する。図７は、図４に示した冷陰極素子を備えた冷陰極ディスプレイの断面図であり、図８は、ゲート電極とカソード電極との間に電圧を印加した直後（炭素系微細繊維から電子が放出される前の状態）の等電位線を示した図である。また、図９は、炭素系微細繊維から放出された電子により突出部が負に帯電した際の等電位線を示した図である。

なお、図７において、電流Ｉａは炭素系微細繊維３８とアノード電極４３との間に流れる電流（アノード電極４３に到達する電子の量）、電流Ｉｂは炭素系微細繊維３８とゲート電極３７との間に流れる電流（ゲート電極３７に到達する電子の量）、電流Ｉは冷陰極ディスプレイ４０の全体に流れる電流（Ｉ＝Ｉａ＋Ｉｂ）をそれぞれ示している。

また、図８及び図９において、領域Ｄ１，Ｄ２は突出部３９が設けられた領域、領域Ｃは突出部３９が設けられていないゲート電極３７と開口部３７Ａとを含んだ領域、Ｂ１，Ｂ２は傾斜面３９Ａが第１の絶縁層３４と接触する位置、Ａ１，Ａ２は傾斜面３９Ａがゲート電極３７と接触する位置をそれぞれ示している。さらに、図９の黒丸で示したＫは、帯電量を示しており、黒丸の大小は帯電量の違い（例えば、大きい黒丸は小さい黒丸よりも帯電量が多い）を模式的に示している。

冷陰極ディスプレイ４０は、大略すると前面板４１と、複数の冷陰極素子３０とを有した構成とされている。前面板４１は、基板４２と、アノード電極４３と、蛍光体４４とを有した構成とされている。基板４２上には、アノード電極４３が形成されており、アノード電極４３上には、蛍光体４４が形成されている。前面板４１は、蛍光体４４が炭素系微細繊維３８と対向するよう配置されている。

図８に示すように、ゲート電極３７とカソード電極３２との間に電圧を印加した直後（炭素系微細繊維から電子が放出される前の状態）では、同図中に示すような形状の等電位線Ｅが形成される。この等電位線Ｅは、領域Ｄ１，Ｄ２において、絶縁層である突出部３９の影響により傾斜面３９Ａに沿うような形状となる。

図８の領域Ｄ１，Ｄ２に対応する炭素系微細繊維３８Ａにかかる電界の大きさは、絶縁層である突出部３９の影響により、絶縁層の形成されていない領域Ｃに対応した炭素系微細繊維３８Ｂにかかる電界よりも大きくなる。そのため、領域Ｄ１，Ｄ２に対応する炭素系微細繊維３８Ａからは、領域Ｃに対応した炭素系微細繊維３８Ｂよりも電子Ｊが放出されやすくなる。また、領域Ｄ１，Ｄ２の電界は、突出部３９が傾斜面３９Ａを有しているため、Ａ１からＢ１に向かう方向（又は、Ａ２からＢ２に向かう方向）に移動するにつれて強くなる。そのため、Ｂ１，Ｂ２側に位置する炭素系微細繊維３８Ａの方が、Ａ１，Ａ２側に位置する炭素系微細繊維３８Ａよりも電子Ｊを放出しやすくなる。

図９に示すように、炭素系微細繊維３８Ａから放出され電子Ｊが突出部３９の傾斜面３９Ａに到達すると、突出部３９は負に帯電し、同図に示すような等電位線Ｆが形成される。突出部３９の帯電量は、Ａ１からＢ１に向かう方向（又は、Ａ２からＢ２に向かう方向）に対して徐々に大きくなる。

このように、炭素系微細繊維３８Ａから放出された電子Ｊにより突出部３９を負に帯電させて、突出部３９の傾斜面３９Ａと対向する位置にある炭素系微細繊維３８Ａから電子Ｊを放出させにくくすることで、炭素系微細繊維３８Ａからゲート電極３７に流れる電流を減らすことができる。

これにより、炭素系微細繊維３８Ａから発光に寄与しない電子Ｊが放出されることを抑制して、冷陰極素子３０の電子放出効率を向上させることができる。なお、説明の都合上、領域Ｄ１，Ｄ２に設けられた炭素系微細繊維に符号３８Ａを付し、領域Ｃに設けられた炭素系微細繊維に符号３８Ｂを付したが、炭素系微細繊維３８Ａと炭素系微細繊維３８Ｂとは同一構成のものである。

以上、説明したように、第１の絶縁層３４上に炭素系微細繊維３８と対向するゲート電極３７の面の少なくとも一部を覆う突出部３９を第２の絶縁層３６に設けることで、成長しすぎた炭素系微細繊維３８を突出部３９に接触させ、ゲート電極３７とカソード電極３２との間の短絡を低減すると共に、電子放出効率を向上させることができる。なお、突出部３９の形状は本実施の形態で示した形状に限定されない。

（第１実施例）
図１０を参照して、本発明の第１実施例の冷陰極素子３０について説明する。図１０は、本発明の第１実施例の冷陰極素子の断面図である。冷陰極素子３０は、基板３１であるガラス基板上に、カソード電極３２であるＣｒ膜（膜厚２００ｎｍ）と、触媒金属３３であるＦｅ−Ｎｉ合金（膜厚５ｎｍ）と、ＥＢ蒸着法により形成された第１の絶縁層３４であるＳｉＯ_２膜（膜厚２μｍ）と、ＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法により形成された第２の絶縁層３６であるＳｉＯ_２膜（膜厚１μｍ）と、直径Ｒ１が５μｍの開口部３７Ａを有したゲート電極３７であるＣｒ膜（膜厚２００ｎｍ）と、炭素系微細繊維３８は、グラファイトナノファイバーとが順次形成された構成とされている。第１の絶縁層３４であるＳｉＯ_２膜は、第２の絶縁層であるＳｉＯ_２膜よりもエッチングレートの大きい絶縁層である。

第１の絶縁層３４であるＳｉＯ_２膜には、開口部３４Ａが形成されており、この開口部３４Ａに露出されたＣｒ膜（カソード電極３２）上には、炭素系微細繊維３８であるグラファイトナノファイバーが形成されている。第２の絶縁層３６であるＳｉＯ_２膜は、開口部３６Ａを有しており、炭素系微細繊維３８と対向するゲート電極３７の面を覆う突出部３９が形成されている。突出部３９の炭素系微細繊維３８と対向する面には、傾斜面３９Ａが形成されている。

次に、図１１乃至図１８を参照して、第１実施例の冷陰極素子３０の製造方法について説明する。図１１乃至図１８は、第１実施例の冷陰極素子の製造工程を示した図である。

図１１に示すように、基板３１であるガラス基板上に、カソード電極３２としてＣｒ膜（膜厚２００ｎｍ）をスパッタリング法により形成した。次に、図１２に示すように、カソード電極３２であるＣｒ膜上に触媒金属３３としてＦｅ−Ｎｉ合金（膜厚２０ｎｍ）をスパッタリング法により形成した。

続いて、図１３に示すように、第１の絶縁層３４としてＥＢ蒸着法によりＳｉＯ_２膜（膜厚２μｍ）を形成し、その後、第２の絶縁層３６としてＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法によりＳｉＯ_２膜（膜厚１μｍ）を形成した。ＥＢ蒸着法によるＳｉＯ_２膜と、ＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法によるＳｉＯ_２膜とのエッチングレートの比較を行った結果、ＥＢ蒸着法によるＳｉＯ_２膜（第１の絶縁層３４）のエッチングレートは、ＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法によるＳｉＯ_２膜（第２の絶縁層３６）のエッチングレートの３倍程度であった。

次に、図１４に示すように、ゲート電極３７となるＣｒ膜（膜厚２００ｎｍ）をスパッタリング法により形成し、Ｃｒ膜上に直径Ｒ１が５μｍの開口部５１を有したレジスト膜５２を形成した。続いて、図１５に示すように、レジスト膜５２をマスクとして、ウエットエッチングによりゲート電極３７に直径Ｒ１が５μｍの開口部３７Ａを形成した。レジスト膜５２は、開口部３７Ａを形成後に、剥離処理により除去した。

次に、図１６に示すように、ゲート電極３７であるＣｒ膜をマスクとして、ＣＨＦ_３ガスプラズマを用いた反応性イオンエッチングにより第１の絶縁層３４及び第２の絶縁層３６を垂直方向（基板３１の面方向に直交する方向）に異方性エッチングして、触媒金属３３であるＦｅ−Ｎｉ合金を露出する開口部５３を形成した。なお、図１６において、第１の絶縁層３４の側面３４Ｃと第２の絶縁層３６の側面３６Ｃとは、開口部５３を形成する面を示している。

図１７において、Ｌ１は、ＢＨＦを用いたウエットエッチングによりエッチングされた第１の絶縁層３４の幅（以下、幅Ｌ１）を示している。続いて、図１７に示すように、薬液としてＢＨＦを用いて、幅Ｌ１（基板３１に対して水平方向の第１の絶縁層３４のエッチング量）が１μｍとなるよう等方性エッチングであるウエットエッチングを行った。

第１の絶縁層３４であるＳｉＯ_２膜は、第２の絶縁層３６であるＳｉＯ_２膜の３倍程度のエッチングレートを有しているため、第２の絶縁層３６よりも速くエッチングされる。したがって、第１の絶縁層３４と接している側の第２の絶縁層の面は、ゲート電極３７と接している側の第２の絶縁層の面よりも速い段階でＢＨＦにエッチングされる。

これにより、開口部３４Ａに露出されたＦｅ−Ｎｉ合金（触媒金属３３）と対向するゲート電極３７の面の一部を覆い、かつＦｅ−Ｎｉ合金（触媒金属３３）と対向する傾斜面３９Ａを有した突出部３９が形成された。この際、突出部３９により覆われていないゲート電極３７の幅Ｌ２は、０．３３μｍであった。なお、幅Ｌ１，Ｌ２の値については、第１及び第２の絶縁層３４，３６のエッチングレートの比や、膜厚、エッチング時間等を適宜選択することで、所望の値とすることができる。

次に、図１８に示すように、一酸化炭素と水素との混合ガス中で基板３１の温度を５５０℃に加熱させて、炭素系微細繊維３８を析出させ、所望の長さまで成長させた。

このように製造した本実施例の冷陰極素子３０と、比較例として図１に示した従来の冷陰極素子１０とについて、カソード電極とゲート電極との間で短絡した冷陰極素子の割合と冷陰極素子の電子放出効率とについて評価を行った。図１９は、短絡した冷陰極素子の割合と冷陰極素子の電子放出効率とに関する評価結果を示した図である。

図１９に示すように、比較例である従来の冷陰極素子１０の短絡の割合は５０％以上であったが、本実施例の冷陰極素子３０の短絡の割合は５％以下であった。また、比較例である従来の冷陰極素子１０の電子放出効率は０．０５〜０．５であったが、本実施例の冷陰極素子３０の電子放出効率は０．５〜０．８であった。以上の結果から、本実施例の冷陰極素子３０を用いることにより、炭素系微細繊維３８がゲート電極３７と接触することによる短絡を低減できると共に、電子放出効率を向上できることが確認できた。

なお、触媒金属３３がウエットエッチングする際に使用する薬液やプラズマに対して耐性がない場合には、図２０乃至図２４に示すように、第１の絶縁層３４の開口部３４Ａと第２の絶縁層３６の開口部３６Ａとを形成後に、カソード電極３２上に触媒金属３３を設け、炭素系微細繊維３８を形成しても良い。図２０乃至図２４は、炭素系微細繊維の製造方法を示した図である。図２０乃至図２４において、図４に示した冷陰極素子３０と同一構成部分には、同一符号を付す。始めに、本実施例で説明した製造方法を用いて、図２０に示すように、第１の絶縁層３４（ＥＢ蒸着法によるＳｉＯ_２膜）に開口部３４Ａと、第２の絶縁層３６（ＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法によるＳｉＯ_２膜）に開口部３６Ａとを有した構造体を形成する。

次に、図２１に示すように、ゲート電極３７であるＣｒ膜（膜厚２００ｎｍ）上にレジスト膜５５を形成する。続いて、図２２に示すように、レジスト膜５５上とカソード電極３２であるＣｒ膜（膜厚２００ｎｍ）上とに触媒金属３３であるＦｅ−Ｎｉ合金（膜厚２０ｎｍ）を形成する。続いて、図２３に示すように、濃度が１０％の水酸化ナトリウム溶液によりレジスト膜５５を溶解させて、レジスト膜５５と共にレジスト膜５５上に形成された触媒金属３３であるＦｅ−Ｎｉ合金の除去を行う。その後、図２４に示すように、カソード電極３２上に形成された触媒金属３３から炭素系微細繊維３８を析出させ、所望の長さまで成長させる。

このように、第１の絶縁層３４の開口部３４Ａと第２の絶縁層３６の開口部３６Ａとを形成後に、カソード電極３２上に触媒金属３３を設けて、炭素系微細繊維３８を形成することで、ウエットエッチングする際に使用する薬液やプラズマにより触媒金属３３が損傷することを防止できる。

（第２実施例）
図２５を参照して、第２実施例の冷陰極素子６０について説明する。図２５は、本発明による第２実施例の冷陰極素子の断面図である。なお、第２実施例の冷陰極素子６０は、第１実施例の冷陰極素子３０の変形例であるので、図２５において、図４に示した冷陰極素子３０と同一構成部分には同一の符号を付す。

冷陰極素子６０は、基板３１であるガラス基板上に、カソード電極３２であるＣｒ膜（膜厚２００ｎｍ）と、触媒金属３３であるＦｅ−Ｎｉ合金（膜厚２０ｎｍ）と、ＥＢ蒸着法により形成された第１の絶縁層３４であるＳｉＯ_２膜（膜厚２μｍ）と、ＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法により形成された第２の絶縁層３６であるＳｉＯ_２膜（膜厚１μｍ）と、直径Ｒ１が５μｍの開口部３７Ａを有したゲート電極３７であるＣｒ膜（膜厚２００ｎｍ）と、炭素系微細繊維３８であるグラファイトナノファイバーとが順次形成された構成とされている。ＥＢ蒸着法によるＳｉＯ_２膜（第１の絶縁層３４）のエッチングレートは、ＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法によるＳｉＯ_２膜（第２の絶縁層３６）のエッチングレートの３倍程度の大きさである。

第１の絶縁層３４であるＳｉＯ_２膜には、下に凸んだ形状の開口部５８が形成されており、この開口部５８に露出されたカソード電極３２上には炭素系微細繊維３８であるグラファイトナノファイバーが形成されている。開口部５８は、第１の絶縁層３４と第２の絶縁層３６との界面からカソード電極３２に向かうにつれて徐々に直径が小さくなるような形状とされている。

第２の絶縁層３６であるＳｉＯ_２膜は、開口部５９を有している。開口部５９は、カソード電極３２から離れるにつれて徐々に小さくなり、その後ゲート電極３７に向かって徐々に大きくなるよう構成されている。この開口部５９に露出された第２の絶縁層３６には、開口部５９の中心に向かって突出した突出部５７が形成されている。この突出部５７は、炭素系微細繊維３８と対向する面に傾斜面５７Ｂを有した構成とされている。この突出部５７は、先の第１実施例で説明した突出部３９と同様の機能を果たすものである。

突出部５７の先端部においての開口部５９の直径Ｒ３は、ゲート電極３７の開口部３７Ａの直径Ｒ１よりも大きく、かつ第１の絶縁層３４と第２の絶縁層３６との界面付近の開口部５８の直径Ｒ２よりも小さくなるよう構成されている。また、開口部３７Ａ，５８，５９の中心は、略同一となるように構成されている。

次に、図２６乃至図２８を参照して、第２実施例の冷陰極素子６０の製造方法について説明する。図２６乃至図２８は、第２実施例の冷陰極素子の製造工程を示した図である。なお、図２７に示したＬ３は、第２の絶縁層３６と第１の絶縁層３４とが接触する位置を基準とした際の突出部５７の突出量（以下、突出量Ｌ３）を示している。また、図２６乃至図２８において、図４に示した冷陰極素子３０と同一構成部分には同一の符号を付す。

先の図１１乃至図１５に示した製造工程と同様な手法を行って、図２６に示すように、ゲート電極３７であるＣｒ膜に直径Ｒ１が５μｍの開口部３７Ａを有した構造体を形成した。次に、図２７に示すように、薬液にＢＨＦを用いたウエットエッチングにより、第１の絶縁層３４（ＥＢ蒸着法により形成されたＳｉＯ_２膜）と第２の絶縁層３６（ＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法により形成されたＳｉＯ_２膜）とを等方性エッチングして触媒金属３３を露出させた。このエッチングにより、最初のうちは第２の絶縁層３６のみがエッチングされるが、第１の絶縁層３４が露出されてＢＨＦにさらされると、第２の絶縁層３６の３倍程度の速度で第１の絶縁層３４がエッチングされる。これにより、触媒金属３３を露出する下に凸んだ開口部５８が第１の絶縁層３４に形成されると共に、第１の絶縁層の面６２とゲート電極３７との間に突出した突出部５７が第２の絶縁層３６に形成される。突出部５７は、第１の絶縁層３４と対向する面に傾斜面５７Ｂを有している。この突出部５７は、先の第１実施例で説明した突出部３９と同様の機能を果たすものである。なお、突出部５７の突出量Ｌ３は、第１及び第２の絶縁層３４，３６のエッチングレートの比や、膜厚、エッチング時間等を適宜選択することで、所望の値とすることができる。

次に、図２８に示すように、一酸化炭素と水素とを混合した混合ガス中で、赤外線ランプにより基板３１を５５０℃に加熱して、触媒金属３３であるＦｅ−Ｎｉ合金から微細な炭素系微細繊維３８であるグラファイトナノファイバーを析出させ、所望の長さまで成長させる。

以上、説明したような製造方法を用いて、第２の絶縁層３６に開口部３６Ａの中心に向かって突出した突出部５７を設けることで、長く成長しすぎた炭素系微細繊維３８がゲート電極３７と接触して短絡することを抑制すると共に、冷陰極素子６０の電子放出効率を向上させることができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。なお、ゲート電極３７の開口部３７Ａは、円形のみに限定されない。また、第１及び第２の絶縁層３４，３６に形成される開口部の形状も上記実施例の形状に限定されない。

本発明は、炭素系微細繊維がゲート電極と接触することによる短絡を低減させると共に、電子放出特性を向上させることができる冷陰極素子及びその製造方法に適用できる。

冷陰極に炭素系微細繊維を用いた従来の冷陰極素子の断面図である。炭素系微細繊維とゲート電極とが接触して短絡した冷陰極素子の断面図である。図１に示した従来の冷陰極素子を備えた冷陰極ディスプレイの断面図である。本発明の実施の形態による冷陰極素子の断面図である。炭素系微細繊維が成長しすぎた冷陰極素子の断面図である。第１及び第２の絶縁層に適用可能な酸化膜とそのエッチングレートを示した図である。図４に示した冷陰極素子を備えた冷陰極ディスプレイの断面図である。ゲート電極とカソード電極との間に電圧を印加した直後（炭素系微細繊維から電子が放出される前の状態）の等電位線を示した図である。炭素系微細繊維から放出された電子により突出部が負に帯電した際の等電位線を示した図である。発明の第１実施例の冷陰極素子の断面図である。第１実施例の冷陰極素子の製造工程を示した図（その１）である。第１実施例の冷陰極素子の製造工程を示した図（その２）である。第１実施例の冷陰極素子の製造工程を示した図（その３）である。第１実施例の冷陰極素子の製造工程を示した図（その４）である。第１実施例の冷陰極素子の製造工程を示した図（その５）である。第１実施例の冷陰極素子の製造工程を示した図（その６）である。第１実施例の冷陰極素子の製造工程を示した図（その７）である。第１実施例の冷陰極素子の製造工程を示した図（その８）である。短絡した冷陰極素子の割合と冷陰極素子の電子放出効率とに関する評価結果を示した図である。炭素系微細繊維の製造方法を示した図（その１）である。炭素系微細繊維の製造方法を示した図（その２）である。炭素系微細繊維の製造方法を示した図（その３）である。炭素系微細繊維の製造方法を示した図（その４）である。炭素系微細繊維の製造方法を示した図（その５）である。本発明による第２実施例の冷陰極素子の断面図である。第２実施例の冷陰極素子の製造工程を示した図（その１）である。第２実施例の冷陰極素子の製造工程を示した図（その２）である。第２実施例の冷陰極素子の製造工程を示した図（その３）である。

符号の説明

１０，３０，６０冷陰極素子
１１，２１，３１，４２基板
１２，３２カソード電極
１３絶縁層
１３Ａ，１４Ａ，３４Ａ，３６Ａ，３７Ａ，５３，５８，５９開口部
１４，３７ゲート電極
１５，３８，３８Ａ，３８Ｂ炭素系微細繊維
１７，３３触媒金属
２０，４０冷陰極ディスプレイ
２２，４３アノード電極
２３，４４蛍光体
３４第１の絶縁層
３４Ｃ，３６Ｃ側面
３６第２の絶縁層
３９，５７突出部
３９Ａ，５７Ａ傾斜面
４１前面板
５２，５５レジスト膜
６２面
Ｂ，Ｊ電子
Ｃ，Ｄ１，Ｄ２領域
Ｅ，Ｆ等電位線
Ｉａ，Ｉｂ，Ｉ電流
Ｌ１，Ｌ２幅
Ｌ３突出量
Ｒ１〜Ｒ３直径

Claims

ガラス基板上に形成された金属製のカソード電極と、
該カソード電極を露出し、開口下端から開口上端までの開口幅が略一定の第１の開口部を有した第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層上に形成され、前記第１の開口部に連通し、カソード電極から離れるにつれて開口幅が徐々に小さくなる突出部により形成される第２の開口部を有した第２の絶縁層と、
該第２の絶縁層上に形成され、前記第２の開口部に連通し、前記第２の開口部の最小の開口幅よりも小さい開口幅からなる第３の開口部を有したゲート電極と、
前記第１の開口部、前記第２の開口部、及び前記第３の開口部によって露出された前記カソード電極上に全体的に形成され、電子を放出する冷陰極である炭素系微細繊維と
を備え、
前記第１乃至３の開口部の中心は、略同一であり、前記第１の開口部の前記第２の開口部側の開口幅と、前記第２の開口部の前記第１の開口部側の開口幅とが等しく、
成長しすぎた前記炭素系微細繊維を前記突出部と接触させて前記ゲート電極と前記カソード電極との短絡を低減することを特徴とする冷陰極素子。
ガラス基板上に形成された金属製のカソード電極と、
該カソード電極を露出し、前記カソード電極から離れるにつれて開口幅が徐々に大きくなる第１の開口部を有した第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層上に形成され、前記第１の開口部に連通し、カソード電極から離れるにつれて開口幅が徐々に小さくなり、その後ゲート電極に向かうにつれて開口幅が徐々に大きくなる突出部により形成される第２の開口部を有した第２の絶縁層と、
該第２の絶縁層上に形成され、前記第２の開口部に連通し、前記第２の開口部の最小の開口幅よりも小さい開口幅からなる第３の開口部を有したゲート電極と、
前記第１の開口部、前記第２の開口部、及び前記第３の開口部によって露出された前記カソード電極上に全体的に形成され、電子を放出する冷陰極である炭素系微細繊維と
を備え、
前記第１乃至３の開口部の中心は、略同一であり、前記第１の開口部の前記第２の開口部側の開口幅と、前記第２の開口部の前記第１の開口部側の開口幅とが等しく、前記突出部の径は、成長しすぎた前記炭素系微細繊維が接触するように形成されており、
成長しすぎた前記炭素系微細繊維を前記突出部と接触させて前記ゲート電極と前記カソード電極との短絡を低減することを特徴とする冷陰極素子。
電子を放出する冷陰極として炭素系微細繊維を備えた冷陰極素子の製造方法であって、
金属製のカソード電極上に、第１の絶縁層を形成する工程と、
前記第１の絶縁層の上に、該第１の絶縁層よりもエッチングレートの小さい材料で第２の絶縁層を形成する工程と、
該第２の絶縁層上にゲート開口部を有したゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとして、異方性エッチングにより第１及び第２の絶縁層をエッチングして、前記ゲート開口部と連通して前記カソード電極を露出させる第１及び第２の開口部を形成する工程と、
該第１及び第２の開口部を形成する前記第１及び第２の絶縁層の側面を前記ゲート開口部を介して等方性エッチングによりエッチングすることにより、前記第１の開口部内では開口下端から開口上端まで開口幅を略一定にするとともに、前記第２の開口部内では開口幅を前記ゲート開口部に向けて徐々に小さくする工程とを備え、
前記第１及び第２の開口部を形成する工程において、前記第１の開口部の前記第２の開口部側の開口幅と、前記第２の開口部の前記第１の開口部側の開口幅とを等しくすることを特徴とする冷陰極素子の製造方法。
電子を放出する冷陰極として炭素系微細繊維を備えた冷陰極素子の製造方法であって、
金属製のカソード電極上に、第１の絶縁層を形成する工程と、
前記第１の絶縁層の上に、該第１の絶縁層よりもエッチングレートの小さい材料で第２の絶縁層を形成する工程と、
該第２の絶縁層上にゲート開口部を有したゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとして、等方性エッチングを行うことにより、前記ゲート開口部を介して、前記第１の絶縁層内に前記カソード電極から離れるにつれて開口幅が徐々に大きくなる第１の開口部を形成するとともに、前記第２の絶縁層内にカソード電極から離れるにつれて開口幅が徐々に小さくなり、その後前記ゲート電極に向かうにつれて開口幅が徐々に大きくなり、最小の開口幅が前記ゲート開口部よりは大きい突出部により形成される第２の開口部を形成する工程とを備え、
前記第１及び第２の開口部を形成する工程において、前記第１の開口部の前記第２の開口部側の開口幅と、前記第２の開口部の前記第１の開口部側の開口幅とを等しくするとともに、成長しすぎた前記炭素系微細繊維が前記突出部に接触するように前記突出部の径を形成することを特徴とする冷陰極素子の製造方法。