JPH07321110A

JPH07321110A - 配線形成方法、電子源およびその製造方法、ならびに画像形成装置

Info

Publication number: JPH07321110A
Application number: JP11078894A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Okamura; 好真岡村; Masato Niibe; 正人新部
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-05-25
Filing date: 1994-05-25
Publication date: 1995-12-08

Abstract

(57)【要約】【構成】配線の形成を、絶縁体上に所定のパターンで
凹状溝を形成し、該絶縁体上の全面に適宜密着層を介し
て銅を成膜し、その上に回転塗布型ガラス（ＳＯＧ）を
塗布・焼成してからＳＯＧ膜と銅の同時除去を開始し、
絶縁体面が露出したところで除去を停止して行なって、
行列状に多数個の表面伝導型電子放出素子を配列した電
子源を製造し、それを用いて画像形成装置を製造する。【効果】従来では困難であった銅を配線材料とする配
線の形成を、マスクパターンを用いずに高精細に行なう
ことができ、配線抵抗が小さく、配線の断線やショート
のない、特性のバラツキのない電子源を得て、優れた画
像形成装置を低コストで製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、銅を材料とする配線基
板、電子源およびそれを利用した表示装置等の画像形成
装置に関し、特に、微粒子を電子放出部に用いた表面伝
導型電子放出素子を多数個具備した電子源およびそれを
利用した表示装置等の画像形成装置ならびにそれらの製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子放出素子としては、熱電子源
と冷陰極電子源の２種類が知られている。冷陰極電子源
には電界放出型（以下、ＦＥ型と称する）、金属／絶縁
層／金属型（以下、ＭＩＭ型と称する）や、表面伝導型
電子放出素子等がある。

【０００３】ＦＥ型の例としては、Dykeらの報告（W.
P. Dyke and W. W. Dolan, "Field emission", Advance
in Electron Physics, 8, 89(1956)）に記載のもの、S
pindtの報告（C. A. Spindt, "PHYSICAL Properties of
thin-film field emission cathodes with molybdeniu
m cones", J. Appl. Phys., 47, 5248(1976)）に記載の
もの等が知られている。

【０００４】ＭＩＭ型の例としては、Meadの報告（C.
A. Mead, "The tunnel-emission amplifier", J. Appl.
Phys., 32, 646(1961)）に記載のもの等が知られてい
る。

【０００５】表面伝導型電子放出素子の例としては、エ
リンソンの報告（M. I. Elinson, Radio Eng. Electron
Phys., 10(1965)）に記載のもの等がある。

【０００６】表面伝導型電子放出素子は、基板上に形成
された小面積の薄膜に、膜面に平行に電流を流すことに
より、電子放出が生ずる現象を利用するものである。こ
の表面伝導型電子放出素子としては、前記のエリンソン
の報告に記載のＳｎＯ₂薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜に
よるもの（G. Dittmer, Thin Solid Films, 9, 317(197
2)）、Ｉｎ₂Ｏ₃／ＳｎＯ₂薄膜によるもの（M. Hartwell
and C. G. Fonstad,IEEE Trans. ED Conf., 519(197
5)）、カーボン薄膜によるもの（荒木ら，真空，第２６
巻，第１号，２２頁（１９８３））などが報告されてい
る。

【０００７】これらの表面伝導型電子放出素子の典型的
な素子構成として前述のハートウェル（Hartwell）の素
子の構成を図１３に示す。同図において、１は絶縁性基
板である。２は電子放出部形成用薄膜で、Ｈ型形状のパ
ターンに、スパッタで形成された金属酸化薄膜等からな
り、後述のフォーミングと呼ばれる通電処理により電子
放出部３が形成される。４は２の一部であるが、特に
「電子放出部を含む薄膜」と称して区別する。なお、図
中のＬ1は０．５〜１ｍｍ、Ｗは０．１ｍｍで設定され
ている。

【０００８】従来、これらの表面伝導型電子放出素子に
おいては、電子放出を行なう前に電子放出部形成用薄膜
２に対して予めフォーミングと呼ばれる通電処理を施す
ことによって電子放出部を形成するのが一般的であっ
た。すなわち、フォーミングとは前記の電子放出部形成
用薄膜２の両端に電圧を印加通電し、電子放出部形成用
薄膜を局所的に破壊、変形もしくは変質せしめ、電気的
に高抵抗な状態にした電子放出部３を形成することであ
る。なお、電子放出部３は電子放出部形成用薄膜２の一
部に亀裂が発生し、その亀裂付近から電子放出が行なわ
れる。このように、フォーミングにより形成した電子放
出部を含む電子放出部形成用薄膜２が、上記の電子放出
部を含む薄膜４である。前記フォーミング処理を行なっ
た表面伝導型電子放出素子は、電子放出部を含む薄膜４
に電圧を印加し、素子に電流を流すことによって、上述
の電子放出部３より電子を放出せしめるものである。

【０００９】上述の表面伝導型電子放出素子は、構造が
単純で製造も容易であることから、大面積で多数の素子
を配列形成できる利点がある。そこで、その特徴を利用
した各種の応用について研究が行なわれており、例とし
ては、荷電ビーム源、表示装置等が挙げられる。多数の
表面伝導型放出素子を配列形成した例としては、並列に
表面伝導型電子放出素子を配列し、個々の素子の両端を
配線にてそれぞれ結線した行を多数行配列した電子源が
挙げられる（例えば特開平１−０３１３３２号公報に記
載のもの）。また、特に表示装置等の画像形成装置にお
いては、近年、液晶を用いた平板型表示装置が、ＣＲＴ
に代わって普及してきたが、自発発光型ではないため、
バックライト等を持たせなければならない等の問題点が
あり、自発発光型の表示装置の開発が望まれてきた。表
面伝導型電子放出素子を多数配置した電子源と電子源よ
り放出された電子によって、可視光を発光せしめる蛍光
体とを組み合せた表示装置である画像形成装置は、大画
面の装置でも比較的容易に製造でき、かつ表示品位の優
れた自発発光型表示装置である（例えば、米国特許５０
６６８８３号に記載のもの）。

【００１０】表面伝導型電子放出素子の構成および製法
の特徴として、次のようなものが挙げられる。

【００１１】１）フォーミングと呼ばれる通電処理前の
電子放出部形成用薄膜２は、微粒子分散体を分散して形
成された微粒子から成る薄膜、あるいは有機金属等を加
熱焼成して形成された微粒子からなる薄膜等、基本的に
は微粒子によって構成される。

【００１２】２）フォーミングと呼ばれる通電処理後、
電子放出部３、電子放出部を含む薄膜４とも、基本的に
は微粒子より構成される。

【００１３】図１１（ａ）および（ｂ）は、基本的な平
面型表面伝導型電子放出素子の構成を示す平面図および
断面図である。図１１を用いて、その素子の基本的な構
成を説明する。

【００１４】図１１において、１は絶縁性基板、５およ
び６は素子電極、４は電子放出部を含む薄膜、３は電子
放出部である。

【００１５】電子放出部３を有する電子放出素子の製造
手順の１例を図１２を参照しながら以下に示す。図１２
において、２は電子放出部形成用薄膜で例えば微粒子膜
などである。１）絶縁性基板１を十分に洗浄した後、素子電極材料を
堆積し、フォトリソグラフィー技術により素子電極材料
層をリフトオフし、その絶縁性基板１の面上に素子電極
５および６を形成する（図１２（ａ））。２）絶縁性基板１上に設けられた素子電極５と素子電極
６の間にＰｄ等の金属を主要元素とする薄膜を形成し、
パターニングして、電子放出部形成用薄膜２を形成する
（図１２（ｂ））。３）続いて、フォーミングと呼ばれる通電処理を素子電
極５・６間に行なうと、電子放出部形成用薄膜２の部位
に構造の変化した電子放出部３が形成される（図１２
（ｃ））。

【００１６】次に、表面伝導型電子放出素子を、行列状
に多数個配列した電子源について、図１４を用いて説明
する。図１４はその電子源の模式的断面図である。同図
において、１は基板、７２は下配線、７３は上配線、４
は電子放出部を含む薄膜、５および６は素子電極、１１
１は層間絶縁層、１１２は素子電極５と下配線７２との
電気的接続のためのコンタクトホールである。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例における表面伝導型電子放出素子を、行列状に多数
個配列した電子源において、配線が高抵抗であると配線
の電圧効果により、電圧印加した配線電極端から遠い素
子ほど電位が低下し、見かけ上フォーミング電圧が上昇
する。さらに、フォーミングを終えた素子をラインで発
光させると、電圧降下により輝度の明暗ができてしまう
ことがあった。また、印加した素子駆動信号の時間的遅
延が生じ、それが配線両端の接続素子間で与えられる駆
動信号の時間的ずれとなって画像の乱れが生じることが
あり、できるだけ低抵抗の配線材料を用いることが望ま
しい。

【００１８】比抵抗の小さい配線材料としては、Ａｕ
（２．２μΩ・ｃｍ）、Ａｇ（１．６μΩ・ｃｍ）、Ａ
ｌ（２．８μΩ・ｃｍ）、Ｃｕ（１．７μΩ・ｃｍ）等
がある。ＳｉＯ₂との密着がよいのはＡｌで、Ａｕ、Ａ
ｇおよびＣｕではいずれの場合もＣｒやＴｉといった密
着層を介して密着性を上げる手法が用いられるのが一般
的である。Ａｕ、Ａｇはともにコストが高く、大画面化
には不向きである。Ｃｕは低コストという面ではＡｌと
同様に有望な金属で、機械的引っ張り強度を抵抗率で割
った値は、Ａｌが２．０（ｋｇｆ／ｍｍ²・Ωｃｍ）で
あるのに対して、Ｃｕは１３（ｋｇｆ／ｍｍ²・Ωｃ
ｍ）と非常に高く、マイグレーション耐性を考慮して
も、Ｃｕは配線材料として有望である。

【００１９】しかしながら、Ｃｕを用いた配線は加工が
困難であり、リフトオフ法により形成する場合は厚膜化
が困難であり、ドライエッチング法により形成する場合
は、エッチングガスとして用いるハロゲンとの反応生成
物の蒸気圧が低く、高温にしないとエッチングが進行し
ない。

【００２０】さらに、大画面でかつ高精細な画像表示を
行なうには、配線幅には規制があり、配線の低抵抗化に
は厚くすることが不可欠となる。この時、多層配線構造
とした時に生じる段差による断線、ショートが問題であ
った。

【００２１】以上の問題点に鑑み、本発明は、具体的に
は下記の５点を目的としてなされたものである。（１）銅を材料とした配線基板の形成方法を確立する。（２）配線抵抗の小さい電子源を提供する。（３）段差、起伏の少ない多層配線として配線の断線、
ショートのない電子源を提供する。（４）同特性の素子を複数使用する場合に特性のバラツ
キのない電子源を提供する。（５）無発光点、輝度ムラのない、高精細な画像を与え
る画像形成装置を提供する。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は第１に、絶縁体
上に所定のパターンで凹状溝を形成し、該絶縁体上の全
面に銅を成膜し、その上に回転塗布型ガラス（ＳＯＧ）
を塗布・焼成してからＳＯＧ膜と銅の同時除去を開始
し、絶縁体面が露出したところで除去を停止する銅配線
の形成方法を提供する。

【００２３】その場合、ＳＯＧと銅の同時除去はエッチ
ング法、特にリアクティブ・イオン・エッチング（Reac
tive Ion Etching；以下、ＲＩＥと称する）法で行なう
ことが好ましい。その際、条件を適当に設定することに
よってＳＯＧと銅とを同速度でエッチングすることがで
き、段差のない平坦なエッチングを行なうことができ
る。従って、下地の絶縁体の面が露出した時点でエッチ
ングを停止すれば、凹状溝に銅が埋め込まれた形の銅配
線パターンが形成される。なお、ＳＯＧと銅の同時除去
はエッチング法に限定されるものではなく、例えば研磨
法などを用いてもよい。

【００２４】このような方法で配線パターンを形成する
ことにより、従来では困難であった銅を配線材料とする
配線の形成を、マスクパターンを用いずに高精細に行な
うことが可能となり、厚い銅配線を容易に形成すること
が可能となって、特に配線幅に制限がある場合などに低
抵抗化を達成することができ、断線、ショート発生等の
問題を低減することができる。

【００２５】また、銅を配線材料とする場合には、絶縁
体および／またはＳＯＧの種類に応じて、銅層とそれら
の層との間の密着性を高める目的で、適宜銅層と絶縁体
および／またはＳＯＧとの間に密着層を設けることが好
ましい。密着層を構成する元素は、絶縁体および／また
はＳＯＧの材質に応じて適宜選択されるが、例えば、Ｃ
ｒ、Ｔｉなどが好ましい。

【００２６】第２に本発明は、（１）絶縁体基板上に、
所定のパターンで行方向配線（下配線）を形成し、
（２）その行方向配線の形成された基板上に絶縁体膜を
成膜し、（３）該絶縁体膜上に該下配線に通じる開口部
であるコンタクトホールを形成し、（４）所定のパター
ンで一定のギャップを隔てて対向する１対の素子電極を
複数個形成し、（５）所定のパターンで列方向配線（上
配線）を形成し、（６）該素子電極間に電子放出部を形
成して、行列状に多数個の表面伝導型電子放出素子を配
列させる電子源の製造方法において、下配線および上配
線のうち少なくとも一方の形成を、（ａ）絶縁体（すな
わち、絶縁体基板または絶縁体層）上に凹状溝を形成
し、（ｂ）該絶縁体上全面に銅を成膜し、（ｃ）回転塗
布型ガラス（ＳＯＧ）を塗布・焼成し、（ｄ）ＳＯＧ膜
と銅の同時除去を開始し、（ｅ）絶縁体面が露出したと
ころで除去を停止することによって行なうことを特徴と
する電子源の製造方法を提供する。

【００２７】第３に本発明は、（１）絶縁体基板上に、
行方向配線と該配線の上に絶縁体層を介して列方向配線
が設けられ、（２）電子放出部を挟んで１対の素子電極
が対向しており、一方の電極が該上配線と結線され、他
方の電極が該下配線と結線されている表面伝導型電子放
出素子が行列状に複数個配列された電子源において、行
方向配線および列方向配線の少なくとも１部に銅が用い
られ、両配線とも凹状溝に埋め込まれていることを特徴
とする電子源およびその電子源を用いた画像形成装置を
提供する。

【００２８】以下、本発明を図面を用いて詳細に説明す
る。

【００２９】本発明の電子源に用いられる素子の基本構
造は、前記の図１１と同様である。その素子の絶縁性基
板１としては、石英ガラス、ナトリウム等の不純物含有
量を減少させたガラス、青板ガラス、青板ガラスにスパ
ッタ法等により形成したＳｉＯ₂を積層したガラス基板
等およびアルミナ等のセラミックス等が挙げられる。

【００３０】対向する素子電極５および６の材料として
は、導電性を有するものであれば、どのようなものであ
っても構わないが、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、
Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ等の金属または合
金、ならびにＰｄ、Ａｇ、Ａｕ、ＲｕＯ₂、Ｐｄ−Ａｇ
等の金属または金属酸化物とガラス等から構成される印
刷導体、Ｉｎ₂Ｏ₃−ＳｎＯ₂等の透明導電体およびポリ
シリコン等の半導体導体材料等が挙げられる。素子電極
間隔Ｌ1は、数百Å〜数百ミクロンであり、素子電極の
製法の基本となるフォトリソグラフィー技術、すなわ
ち、露光機の性能とエッチング方法等、ならびに素子電
極間に印加する電圧と電子放出し得る電界強度等により
設定されるが、好ましくは、数ミクロン〜数十ミクロン
である。素子電極長さＷ1および素子電極５、６の膜厚
ｄは、電極の抵抗値、前述した上下配線との結線、多数
配置された電子源の配置上の問題より適宜設計され、通
常は素子電極長さＷ1は、数ミクロン〜数百ミクロンで
あり、素子電極５、６の膜厚は、好ましくは数百Å〜数
ミクロンである。

【００３１】絶縁性基板１上に設けられた対向する素子
電極５と素子電極６の間および素子電極５、６上に接地
された電子放出部を含む薄膜４は電子放出部３を含む
が、図１１（ｂ）に示された場合だけでなく、素子電極
５、６上には接地されない場合もある。すなわち、絶縁
性基板１上に電子放出部形成薄膜２、対向する素子電極
５、６の電極順に積層構成した場合である。また製法に
よっては、対向する素子電極５と素子電極６の間の全て
が電子放出部として機能する場合もある。その電子放出
部を含む薄膜４の膜厚は、数Å〜数千Å、好ましくは数
十Å〜数百Åである。素子電極５、６へのステップカバ
レージ、電子放出部３と素子電極５、６間の抵抗値およ
び電子放出部３の導電性微粒子の粒径、後述する通電処
理条件等によって、適宜設定される。その抵抗値は、１
０³〜１０⁷Ω／□のシート抵抗値を示す。

【００３２】電子放出部を含む薄膜４を構成する材料の
具体例を挙げるならば、Ｐｄ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔ
ｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、
Ｐｂ等の金属、ＰｄＯ、ＳｎＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＰｂＯ、
Ｓｂ₂Ｏ₃等の酸化物、ＨｆＢ₂、ＺｒＢ₂、ＬａＢ₆、Ｃ
ｅＢ₆、ＹＢ₄、ＧｄＢ₄等の硼化物、ＴｉＣ、ＺｒＣ、
ＨｆＣ、ＴａＣ、ＳｉＣ、ＷＣ等の炭化物、ＴｉＮ、Ｚ
ｒＮ、ＨｆＮ等の窒化物、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体、カー
ボン、ＡｇＭｇ、ＮｉＣｕ、ＰｂＳｎ等であり、微粒子
膜からなる。

【００３３】なお、ここで述べる微粒子とは、複数の微
粒子が集合した膜であり、その微細構造として、微粒子
が個々に分散配置した状態のみならず、微粒子が互いに
隣接あるいは重なり合った状態（島状も含む）の膜を指
す。

【００３４】電子放出部３は、数Å〜数千Å、好ましく
は５Å〜２００Åの粒径の導電性微粒子多数個からな
り、電子放出部を含む薄膜４の膜厚および後述する通電
処理条件等の製法等に依存しており、適宜設定される。

【００３５】電子放出部３を構成する材料は、電子放出
部を含む薄膜４を構成する一部または全部の元素と同様
である。

【００３６】図３には、上記の素子を行列状に多数個配
列した本発明の電子源の１実施態様を示す。図４は図３
のＡ−Ａ’断面図である。これらの図中、１は基板、７
２は下配線、７３は上配線、４は電子放出部を含む薄
膜、５および６は素子電極、１１１は層間絶縁層、１１
２は素子電極５と下配線７２と電気的接続のためのコン
タクトホール、７５はその結線、１１３はＳＯＧ膜、１
１４は配線を形成する凹状溝である。

【００３７】図１および２は、図３の電子源の製造手順
の１例を示す工程図であり、本発明の電子源製造方法の
１実施態様を示すものである。以下、図１および２を用
いて、その手順を説明する。

【００３８】（工程−ａ）絶縁性基板１を洗剤、純水お
よび有機溶剤等により十分に洗浄した後、シリコン酸化
膜等の絶縁性材料の膜を形成し、その上に下配線７２と
なるべき凹状溝を形成するためのホトレジストパターン
を作り、それをマスクとして上記絶縁性膜をエッチング
して、凹状溝１１４を形成する。エッチングは、ＲＩＥ
法によって行なうのが好ましい。次に、真空蒸着等の方
法で適宜ＴｉやＣｒなどの密着層を介して銅を積層す
る。

【００３９】（工程−ｂ）次に、ＳＯＧ１１３を塗布・
焼成する。

【００４０】（工程−ｃ）次に、ＲＩＥによりＳＯＧ表
面から全面をエッチングする。その際、エッチングの条
件（エッチングガス、温度など）を適宜選択すると、Ｓ
ＯＧとＣｕがほぼ同じ速度でエッチングされ、段差が付
かずに平坦にエッチングが進行する。そして、下地の絶
縁性膜が露出したところで停止すれば、凹状溝１１４に
埋め込まれた下配線７２が形成される。

【００４１】（工程−ｄ）次に、シリコン酸化膜等の層
間絶縁層１１１を堆積し、その絶縁層にコンタクトホー
ル１１２を形成するためのホトレジストパターンを作
り、それをマスクとして層間絶縁層１１１をエッチング
してコンタクトホール１１２を形成する。エッチングに
は、ＲＩＥ法などが好適に使用できる。

【００４２】（工程−ｅ）さらに層間絶縁層１１１を再
び堆積し、次に、上配線を埋め込む凹状溝とコンタクト
ホール１１２を形成するためのホトレジストパターンを
形成する。なおその際、コンタクトホール部分は、工程
−ｄで形成したコンタクトホール部分の内側でそれより
も小さくなるように作製して、形成されるコンタクトホ
ールに段差を設けることが、後の素子電極および上配線
のカバレッジを良好にし、段差部での断線を回避する上
で好ましい。図１（ｅ）ではそのような段差を設けた場
合について示してある。

【００４３】次に、上記のホトレジストをマスクとして
層間絶縁層１１１を、再度工程−ｄと同様にエッチング
して上配線を埋め込む凹状溝１１４とコンタクトホール
１１２を形成する。

【００４４】（工程−ｆ）次に、適宜上述の密着層を介
して真空蒸着等でＣｕを堆積した後、工程−ｂと同様
に、ＳＯＧ１１３を塗布して焼成を行なう。さらに、工
程−ｃと同様に、ＳＯＧ表面から全面をエッチングし
て、下地の絶縁膜が露出したところで停止することによ
って、凹状溝１１４に埋め込まれた上配線７３および下
配線との結線７５を形成する。

【００４５】（工程−ｇ）次に、素子電極５および６と
素子電極間ギャップＧとなるべきパターンをホトレジス
トで形成し、真空蒸着等により素子電極材料を積層す
る。次に、ホトレジストパターンを有機溶剤で溶解し、
素子電極材料の堆積膜をリフトオフして、素子電極５、
６を形成する。

【００４６】（工程−ｈ）図１５に、本工程に関わる電
子放出素子の電子放出部形成用薄膜のマスクの平面図の
一部を示す。このマスクは、素子電極間ギャップＬ1お
よびその近傍に開口を有するマスクであり、そのマスク
を施した後に、Ｃｒなどの膜を堆積・パターニングし、
その上に有機金属溶液を塗布・放置して、有機金属薄膜
を形成する。なお、有機金属溶液とは、Ｐｄ、Ｒｕ、Ａ
ｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓ
ｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｂなどの金属を主要構成元素とする有
機化合物の溶液である。その後、その有機金属薄膜をリ
フトオフ、エッチング等によってパターニングし、電子
放出部形成用薄膜を形成する。

【００４７】なお、ここで述べる微粒子膜とは、前述の
ように複数の微粒子が集合した膜であり、その微細構造
として、微粒子が個々に分散配置した状態のみならず、
微粒子が互いに隣接あるいは重なり合った状態（島状も
含む）の膜を指し、その粒径とは前記の状態で粒子形状
が認識可能な微粒子についての径を言う。

【００４８】（工程−ｉ）次に、リフトオフ、エッチン
グ等によりパターニングし、電子放出部形成用薄膜を形
成する。続いて、素子電極５、６間に、電源（不図示）
によってパルス状あるいは高速の昇電圧による通電処理
（フォーミング）を行ない、電子放出部形成用薄膜の部
位に構造の変化した電子放出部を形成する。この電子放
出部は、通電処理により、電子放出部形成用薄膜を局所
的に破壊、変形もしくは変質せしめることで構造の変化
した部位であり、導電性微粒子で構成されていることを
本発明者らは認めている。

【００４９】フォーミング処理の電圧波形の１例を図６
に示す。図６中、Ｔ1およびＴ2は電圧波形のパルス幅と
パルス間隔であり、Ｔ1を１マイクロ秒〜１０ミリ秒、
Ｔ2を１０マイクロ秒〜１００ミリ秒とし、三角波の波
高値（フォーミング時のピーク電圧）は４〜１０Ｖ程度
とし、フォーミング処理は真空雰囲気下で数十秒間程度
で適宜設定する。

【００５０】以上説明した電子放出部を形成する際に、
素子の電極間に三角波パルスを印加してフォーミングを
行なっているが、素子の電極間に印加する波形は三角波
に限定する必要はなく、矩形波など所望の波形を用いて
もよく、その波高値およびパルス幅、パルス間隔等につ
いても上述の値に限ることなく、電子放出部が良好に形
成されていれば、所望の値を選択することができる。

【００５１】上述のような素子構成と製造方法によって
作成される電子放出素子の基本特性について、図５およ
び図７を用いて説明する。

【００５２】図５は、図１１の素子の電子放出特性を測
定するための測定評価装置の概略構成図である。図５に
おいて、１は絶縁性基体、５および６は素子電極、４は
電子放出部を含む薄膜、３は電子放出部を示す。また、
３１は素子に素子電圧Ｖfを印加するための電源、３０
は素子電極５・６間の電子放出部を含む薄膜４を流れる
素子電流Ｉfを測定するための電流計、３４は素子の電
子放出部より放出される放出電流Ｉeを捕捉するための
アノード電極、３３はアノード電極３４に電圧を印加す
るための高圧電源、３２は素子の電子放出部３より放出
される放出電流Ｉeを測定するための電流計である。

【００５３】電子放出素子の上記素子電流Ｉf、放出電
流Ｉeの測定にあたっては、素子電極５、６に電源３１
と電流計３０とを接続し、その電子放出素子の上方に電
源３３と電流計３２とを接続したアノード電極３４を配
置している。また、本電子放出素子およびアノード電極
３４は、真空装置内に設置され、その真空装置には、不
図示の排気ポンプおよび真空計等の真空装置に必要な機
器が具備されており、所望の真空下で本素子の測定評価
を行なうことができるようになっている。

【００５４】なお、アノード電極の電圧は、１ｋＶ〜１
０ｋＶ、アノード電極と電子放出素子との距離Ｈは３ｍ
ｍ〜８ｍｍの範囲で設定する。

【００５５】図５に示した測定評価装置により測定され
た放出電流Ｉeおよび素子電流Ｉfと素子電圧Ｖfの関係
の典型的な例を図７に示す。なお、図７は著しくＩf、
Ｉeの大きさが異なるため、任意の単位で示されてお
り、放出電流Ｉeは素子電流Ｉfのほぼ１／２０００程度
である。図７からも明らかな通り、本電子放出素子は放
出電流Ｉeに対する以下の３つの特性を有する。

【００５６】まず第１に、本素子はある電圧（閾値電圧
と呼ぶ。図７中のＶth）以上の素子電圧を印加すると急
激に放出電流Ｉeが増加し、一方、閾値電圧Ｖth以下で
は放出電流Ｉeがほとんど検出されない。すなわち、放
出電流Ｉeに対する明確な閾値電圧Ｖthを持った非線形
素子である。

【００５７】第２に、放出電流Ｉeが素子電圧Ｖfに依存
するため、放出電流Ｉeは素子電圧Ｖfで制御できる。

【００５８】第３に、アノード電極３４に捕捉される放
出電荷は、素子電圧Ｖfを印加する時間に依存する。す
なわち、アノード電極３４に捕捉される電荷量は、素子
電圧Ｖfを印加する時間によって制御できる。以上のよ
うな特性を有するため、本発明にかかわる電子放出素子
は、多方面への応用が期待できる。

【００５９】また、素子電流Ｉfは素子電圧Ｖfに対して
単調増加する特性（ＭＩ特性と称する）の例を図７に示
したが、この他にも、素子電流Ｉfが素子電圧Ｖfに対し
て電圧制御型負性抵抗特性（ＶＣＮＲ特性と称する）を
示す場合もある。なおこの場合も、本電子放出素子は上
述した３つの特性を有する。

【００６０】次に、真空下に、電極５および６間に電圧
を印加して、電子放出部形成用薄膜２を通電処理（フォ
ーミング処理）することにより電子放出部を形成して電
子放出部を含む薄膜４とする。

【００６１】次に、図９を用いて、本発明の電子源を用
いた画像形成装置の１実施態様について説明する。

【００６２】図中、８１はリアプレートで、上記の方法
で多数の表面伝導型電子放出素子を形成した基板が固定
されている。そのリアプレートの上方に、ガラス基板８
３の内面に蛍光膜８４とメタルバック８５が形成された
構成となっているフェースプレート８６が支持枠８２を
介して配置されている。７４は電子放出素子、７２およ
び７３はそれぞれＸ方向およびＹ方向の配線である。フ
ェースプレート８６にはさらに、蛍光膜８４の導電性を
高めるため、蛍光膜８４の外面側に透明電極が設けられ
る場合もある。

【００６３】以上述べた構成は、表示等に用いられる画
像形成装置を作製する上で必要な概略構成であり、例え
ば各部材の材料等、詳細な部分は上述のものに限定され
るものではなく、感光性ドラムと発光ダイオード等で構
成された光プリンターの発光ダイオード等の代賛の発光
源として、上述の装置を用いることもできる。またその
際、上述のｍ本の行方向配線とｎ本の列方向配線を、適
宜選択することで、ライン状光源だけでなく、二次元状
の発光源としても応用できる。

【００６４】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明
する。

【００６５】（実施例１）本実施例では、銅を配線材料
とし、表面伝導型電子放出素子を行列状に多数個配列し
た電子源を作製した。

【００６６】ここで作製した電子源の平面図を図８に示
す。またその図中のＡ−Ａ’断面図を図１１に示す。な
お、図８、図１１および後述の図１２および図１３にお
ける同じ符号は同じものを指す。これらの図中、１は基
板、７２は図６のＤxｍに対応するＸ方向配線（下配線
とも呼ぶ）、７３は図６のＤyｎに対応するＹ方向配線
（上配線とも呼ぶ）、４は電子放出部を含む薄膜、５お
よび６は素子電極、１１１は層間絶縁層、１１２は素子
電極５と下配線７２と電気的接続のためのコンタクトホ
ール、７５はその結線、１１３はＳＯＧ膜、１１４は配
線を形成する凹状溝である。

【００６７】このような電子源の製造方法を図１および
図２を用いて、工程順に説明する。

【００６８】工程−ａ清浄化した青板ガラス上に厚さ０．６ミクロンのシリコ
ン酸化膜をスパッタ法で形成した基板１上に、下配線７
２となるべき凹状溝を形成するためのホトレジストパタ
ーンを作り、これをマスクとして酸化膜をエッチングし
て、凹状溝を形成した。エッチングはＣＦ₄とＨ₂ガスを
用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によった。次
に、真空蒸着によって、厚さ１００ÅのＴｉ、厚さ６０
００ÅのＣｕ、厚さ５００ÅのＣｒを順次積層した。

【００６９】工程−ｂ次に、ＳＯＧ（ＯＣＤ、東京応化社製）１１３をスピン
ナーで塗布し、ホットプレート上で、８０、１５０、２
００℃で各６０秒ずつベークした後、オーブン中で４０
０℃で３０分間のキュアリングを行なった。

【００７０】工程−ｃ次に、ＲＩＥによりＳＯＧ表面から全面をエッチングし
た。エッチングは基板を２５０〜３００℃に加熱し、Ｓ
ｉＣｌ₄とＣｌ₂ガスを用いたＲＩＥ法によった。その手
法により、ＳＯＧとＣｕがほぼ同じ速度でエッチングさ
れ、段差が付かずに平坦にエッチングされ、下地の酸化
膜が露出したところで停止することにより、凹状溝１１
４に埋め込まれた下配線７２を形成した。

【００７１】工程−ｄ次に、厚さ６０００Åのシリコン酸化膜からなる層間絶
縁層１１１をＲＦスパッタ法により堆積し、シリコン酸
化膜にコンタクトホール１１２を形成するためのホトレ
ジストパターンを５０μｍ×１４０μｍのサイズで作
り、それをマスクとして層間絶縁層１１１をエッチング
してコンタクトホール１１２を形成した。エッチングは
ＣＦ₄とＨ₂ガスを用いたＲＩＥ法によった。

【００７２】工程−ｅさらに厚さ１００００Åのシリコン酸化膜からなる層間
絶縁層１１１を、ＲＦスパッタ法により再び堆積した。
次に、シリコン酸化膜に、上配線を埋め込む凹状溝とコ
ンタクトホール１１２を形成するためのホトレジストパ
ターンを、工程−ｄで形成したコンタクトホールより
も、縦横の寸法が２０μｍ狭くなるように作製し、それ
をマスクとして層間絶縁層１１１を、再度工程−ｄと同
様にＲＩＥでエッチングして上配線を埋め込む凹状溝１
１４とコンタクトホール１１２を形成した。

【００７３】工程−ｆ次に、真空蒸着により厚さ３００ÅのＴｉ、厚さ１００
００ÅのＣｕを順次堆積した後、工程−ｂと同様に、Ｓ
ＯＧ（ＯＣＤ、東京応化社製）１１３をスピンナーで塗
布し、ベーク・キュアリングを行なった。さらに、工程
−ｃと同様に、ＲＩＥによってＳＯＧ表面から全面をエ
ッチングして、下地の酸化膜が露出したところで停止す
ることによって、凹状溝１１４に埋め込まれた上配線７
３および下配線との結線７５を形成した。

【００７４】工程−ｇ次に、素子電極５および６と素子電極間ギャップＧとな
るべきパターンをホトレジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４
１、日立化成社製）で形成し、真空蒸着により厚さ５０
ÅのＴｉ、厚さ１０００ÅのＮｉを順次積層した。次
に、ホトレジストパターンを有機溶剤で溶解し、Ｎｉ／
Ｔｉ堆積膜をリフトオフし、素子電極間隔は３ミクロン
とし、素子電極の幅を３００ミクロンとする素子電極
５、６を形成した。

【００７５】工程−ｈ図１５に示したマスクを用いて、膜厚１０００ÅのＣｒ
膜１２１を真空蒸着により堆積・パターニングし、その
上に有機パラジウム（ｃｃｐ４２３０、奥野製薬（株）
社製）をスピンナーにより回転塗布し、３００℃で１０
分間の加熱焼成処理を行なった。こうして形成されたＰ
ｄを主要構成元素とする微粒子からなる電子放出部形成
用薄膜４の膜厚は、約１００Å、シート抵抗値は５×１
０⁴Ω／□であった。

【００７６】工程−ｉＣｒ膜１２１および焼成後の電子放出部形成用薄膜４を
酸エッチャントによりエッチングして所望のパターンを
形成した。

【００７７】以上の工程により絶縁製基板１上に下配線
７２、層間絶得層１１１、上配線７３、素子電極５およ
び６、電子放出部形成用薄膜４等を形成した。

【００７８】以上のように作製した電子源の電子放出特
性を、図５と同様の測定評価装置を用いて行なった。真
空ポンプにて排気し、十分な真空度に達した後、端子Ｄ
ox１ないしＤoxｍとＤoy１ないしＤoyｎを通じ電子放出
素子７４の電極５および６間に電圧を印加し、電子放出
部形成用薄膜を通電処理（フォーミング処理）すること
により電子放出部３を作製した。フォーミング処理の電
圧波形を図４に示す。

【００７９】図４中、Ｔ1およびＴ2は電圧波形のパルス
幅とパルス間隔であり、本実施例ではＴ1を１ミリ秒、
Ｔ2を１０ミリ秒とし、三角波の波高値（フォーミング
時のピーク電圧）は５Ｖで、フォーミング処理は約１×
１０^-6Ｔｏｒｒの真空雰囲気下で６０秒間実施した。各
電子放出素子７４のフォーミングを順次行なっている時
に、配線間のオープンやショートによってフォーミング
できない素子はほとんどなく、しかも配線抵抗の上昇に
よる電圧降下がほとんどないことから、各素子を均一に
フォーミングすることができた。

【００８０】このように作製された電子放出部３は、パ
ラジウムを主要構成元素とする微粒子が分散配置された
状態となり、その微粒子の平均粒径は３０Åであった。

【００８１】上記のフォーミングを終えた電子放出素子
の特性を、アノード電極の電圧を１ｋＶ、アノード電極
と電子放出素子との距離Ｈを４ｍｍ、真空度１×１０^-6
Ｔｏｒｒで測定したところ、図１０に示したような電流
−電圧特性が得られた。素子間で多少のバラツキはある
が、素子電圧８Ｖ程度から急激に放出電流Ｉeが増加
し、素子電圧１４Ｖ時の素子電流Ｉf２．２ｍＡ、放出
電流Ｉe１．１μＡで、ＩfおよびＩeともに各素子間の
バラツキは、±５〜６％であった。

【００８２】（実施例２）本実施例では、表面伝導型電
子放出素子を行列状に多数個配列した本発明の電子源を
用いた画像形成装置およびその製造方法を示す。

【００８３】実施例１で作製した電子源を用いて表示装
置を構成した例を、図９を用いて説明する。

【００８４】実施例１の方法で多数の平板型表面伝導型
電子放出素子を形成した基板をリアプレート８１上に固
定した後、基板１の５ｍｍ上方に、フェースプレート８
６（ガラス基板８３の内面に蛍光膜８４とメタルバック
８５が形成された構成となっている）を支持枠８２を介
して配置し、フェースプレート８６、支持枠８２、リア
プレート８１の接合部にフリットガラスを塗布し、大気
中あるいは窒素雰囲気で４００℃ないし５００℃で１０
分間以上焼成することで封着した。また、リアプレート
８１への基板１の固定もフリットガラスで行なった。

【００８５】図９において、７４は電子放出素子、７２
および７３はそれぞれＸ方向およびＹ方向の配線であ
る。

【００８６】蛍光膜８４は、モノクロームの場合は蛍光
体のみからなるが、本実施例では蛍光体はストライプ形
状を採用し、先にブラックストライプを形成し、その間
隙部に各色蛍光体を塗布し、蛍光膜８４を作製した。ブ
ラックストライプの材料として通常良く用いられている
黒鉛を主成分とする材料を用いたガラス基板８３に蛍光
体を塗布する方法はスラリー法を用いた。

【００８７】また、８４の内面側には、通常メタルバッ
ク８５が設けられる。メタルバックは、蛍光膜作製後、
蛍光膜の内面側表面の平滑化処理（通常、フィルミング
と呼ばれる）を行ない、その後、Ａｌを真空蒸着するこ
とで作製した。

【００８８】フェースプレート８６にはさらに、蛍光膜
８４の導電性を高めるため、蛍光膜８４の外面側に透明
電極（不図示）が設けられる場合もあるが、本実施例で
は、メタルバックのみで十分な導電性が得られたので省
略した。

【００８９】前述の封着を行なう際、カラーの場合は各
色蛍光体と電子放出素子とを対応させなくてはならない
ため、十分な位置合わせを行なった。

【００９０】以上のようにして完成したガラス容器内の
雰囲気を排気管（図示せず）を通じ真空ポンプにて排気
し、十分な真空度に達した後、容器外端子Ｄox１ないし
ＤoxｍとＤoy１ないしＤoyｎを通じ電子放出素子７４の
電極５および６間に電圧を印加し、電子放出部３を電子
放出部形成用薄膜２を通電処理（フォーミング処理）す
ることにより作製した。

【００９１】このように作製された電子放出部３は、パ
ラジウムを主要構成元素とする微粒子が分散配置された
状態となり、その微粒子の平均粒径は３０Åであった。

【００９２】次に、１０^-6Ｔｏｒｒ程度の真空度で、不
図示の排気管をガスバーナーで熱することによって溶着
し、外囲器の封止を行なった。

【００９３】最後に封止後の真空度を維持するために、
ゲッター処理を行なった。これは、封止を行なう直前に
高周波加熱等の加熱法により、画像形成装置内の所定の
位置（不図示）に配置されたゲッターを加熱し、蒸着膜
を形成処理したものである。ゲッターはＢａ等を主成分
とした。

【００９４】以上の方法で作製した画像表示装置におい
て、各電子放出素子には、容器外端子Ｄox１ないしＤox
ｍ、Ｄoy１ないしＤoyｎを通じ、走査信号および変調信
号を不図示の信号発生手段よりそれぞれ印加して電子放
出させ、高圧端子Ｈｖを通じ、メタルバック８５に数ｋ
Ｖ以上の高圧を印加し、電子ビームを加速し、蛍光膜８
４に衝突させ、励起・発光させることで画像を表示し
た。その際、配線管のオープン、ショートはなく、かつ
封着工程後も配線抵抗がほとんど変化せず、電圧降下ｇ
がほとんどないことから、各素子のフォーミングを均一
に行なえ、電子放出特性も均一であり、輝度ムラや無発
光点等は見られなかった。

【００９５】

【発明の効果】以上説明した通り、絶縁体上に所定のパ
ターンで凹状溝を形成し、その絶縁体上の全面に銅を成
膜し、その上に回転塗布型ガラス（ＳＯＧ）を塗布・焼
成してからＳＯＧ膜と銅の同時除去を開始し、絶縁体面
が露出したところで除去を停止するという方法で配線を
形成することにより、（１）従来では困難であった銅を配線材料とする配線の
形成を、マスクパターンを用いずに高精細に行なうこと
が可能となる。

【００９６】さらに電子源において、絶縁体基板あるい
は絶縁体層にパターン形成された凹状溝に銅が埋め込ま
れた構造を持たせることによって、（２）ａ）配線抵抗の小さい、ｂ）段差、起伏の少ない
多層配線として配線の断線、ショートのない、しかも
ｃ）同特性の素子を複数使用する場合に特性のバラツキ
のない電子源を得ることができる。

【００９７】さらに、そのような電子源を用いることに
よって、（３）ａ）無発光点、輝度ムラのない、高精細な画像を
与え、ｂ）大画面化の容易な、しかもｃ）銅を配線材料
とすることで低コストな画像形成装置を製造することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子源の製造手順の前半を示す工程図
であり、（ａ）は凹状溝形成後、配線材料層を形成した
状態、（ｂ）はＳＯＧを塗布した状態、（ｃ）は下配線
を形成した状態、（ｄ）および（ｅ）は層間絶縁層を形
成した状態を示す図である。

【図２】本発明の電子源の製造手順の後半を示す工程図
であり、（ｆ）は上配線を形成した状態、（ｇ）は素子
電極材料層を形成した状態、（ｈ）は電子放出部形成用
薄膜材料の層を形成した状態、（ｉ）は電子放出部を形
成して電子源を完成した状態を示す図である。

【図３】本発明の電子源の１例の模式的部分平面図であ
る。

【図４】図３のＡ−Ａ’断面図である。

【図５】本発明の表面伝導型電子放出素子の測定評価装
置の構成を示す模式図である。

【図６】本発明の表面伝導型電子放出素子の通電処理時
に印加する電圧の波形の１例を示す波形図である。

【図７】本発明の表面伝導型電子放出素子の特性の１例
を示すグラフである。

【図８】本発明の電子源の構成を示す模式的平面図であ
る。

【図９】本発明の画像形成装置の１例の概略を示す斜視
図である。

【図１０】実施例１の電子源の特性を示すグラフであ
る。

【図１１】平面型表面伝導型電子放出素子の基本構成を
示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図であ
る。

【図１２】表面伝導型電子放出素子の基本的な製造手順
を示す工程図であり、（ａ）は基板上への素子電極形
成、（ｂ）は電子放出部形成用薄膜形成、（ｃ）は電子
放出部形成が行なわれた状態を示す図である。

【図１３】従来の表面伝導型電子放出素子の模式的平面
図である。

【図１４】従来の電子源の１例の断面図である。

【図１５】電子放出部形成用薄膜形成時のマスクの状態
を示す平面図である。

【符号の説明】

１絶縁性基板２電子放出部形成用薄膜３電子放出部４電子放出部を含む薄膜５、６素子電極３０電流計３１電源３２電流計３３電源３４アノード電極７２Ｘ方向配線７３Ｙ方向配線７４表面伝導型電子放出素子７５結線８１電子源が固定されたリアプレート８２支持枠８３ガラス基板８４蛍光膜８５メタルバック８６フェースプレート８８外囲器１１１層間絶縁層１１２コンタクトホール１１３ＳＯＧ１１４凹状溝１１５凹状溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁体上に所定のパターンで凹状溝を形
成し、該絶縁体上の全面に銅を成膜し、その上に回転塗
布型ガラス（ＳＯＧ）を塗布・焼成してからＳＯＧ膜と
銅の同時除去を開始し、絶縁体面が露出したところで除
去を停止する配線形成方法。
【請求項２】銅の成膜の前後の少なくとも一方で密着
層を形成する請求項１記載の配線形成方法。
【請求項３】密着層がクロムおよびチタンのうちの少
なくとも１つの元素を含む請求項２記載の配線形成方
法。
【請求項４】ＳＯＧ膜と銅の同時除去をエッチングに
よって行なう請求項１ないし３のいずれか１項に記載の
配線形成方法。
【請求項５】エッチング法がリアクティブ・イオン・
エッチング（ＲＩＥ）法である請求項４記載の配線形成
方法。
【請求項６】ＳＯＧ膜と銅の同時除去を研磨によって
行なう請求項１ないし３のいずれか１項に記載の配線形
成方法。
【請求項７】（１）絶縁体基板上に、所定のパターンで
行方向配線（下配線）を形成し、（２）その行方向配線
の形成された基板上に絶縁体膜を成膜し、（３）該絶縁
体膜上に該下配線に通じる開口部であるコンタクトホー
ルを形成し、（４）所定のパターンで一定のギャップを
隔てて対向する１対の素子電極を複数個形成し、（５）
所定のパターンで列方向配線（上配線）を形成し、
（６）該素子電極間に電子放出部を形成して、行列状に
多数個の表面伝導型電子放出素子を配列させる電子源の
製造方法において、下配線および上配線のうち少なくと
も一方の形成を、（ａ）絶縁体上に凹状溝を形成し、
（ｂ）該絶縁体上全面に銅を成膜し、（ｃ）回転塗布型
ガラス（ＳＯＧ）を塗布・焼成し、（ｄ）ＳＯＧ膜と銅
の同時除去を開始し、（ｅ）絶縁体面が露出したところ
で除去を停止することによって行なうことを特徴とする
電子源の製造方法。
【請求項８】銅の成膜の前後の少なくとも一方で密着
層を形成する請求項７記載の電子源の製造方法。
【請求項９】密着層がクロムおよびチタンのうちの少
なくとも１つの元素を含む層である請求項８記載の電子
源の製造方法。
【請求項１０】ＳＯＧ膜と銅の同時除去をエッチング
によって行なう請求項７ないし９のいずれか１項に記載
の電子源の製造方法。
【請求項１１】エッチング法がリアクティブ・イオン
・エッチング（ＲＩＥ）法である請求項１０記載の電子
源の製造方法。
【請求項１２】ＳＯＧ膜と銅の同時除去を研磨によっ
て行なう請求項７ないし９のいずれか１項に記載の電子
源の製造方法。
【請求項１３】（１）絶縁体基板上に、行方向配線と該
配線の上に絶縁体層を介して列方向配線が設けられ、
（２）電子放出部を挟んで１対の素子電極が対向してお
り、一方の電極が該上配線と結線され、他方の電極が該
下配線と結線されている表面伝導型電子放出素子が行列
状に複数個配列された電子源において、行方向配線およ
び列方向配線の少なくとも一部に銅が用いられ、両配線
とも凹状溝に埋め込まれていることを特徴とする電子
源。
【請求項１４】少なくとも、請求項１３記載の電子源
に対向して蛍光体が配置されて成る画像形成装置。