JPH09161658A - 電子放出素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定した電子放出が可能であり、また、製造
プロセスが簡便な電子放出素子およびその製造方法を提
供する。 【解決手段】 ５００ｔｏｒｒの第１のチャンバ内にヘ
リウムと酸素ガスを導入し、アルミニウムを蒸発させ、
直径３０ｎｍ程度の超微粒子アルミニウムを生成し、そ
の表面を酸化させる。こうして、表面が酸化膜（Ａｌ_２
Ｏ_３）に覆われた直径３０ｎｍ程度の超微粒子アルミニ
ウムを生成し、これを５ｔｏｒｒの第２のチャンバへ移
送してノズルから吹き出させて基板上に超微粒子の充填
層を形成する。この充填層は、アルミニウム中に局所的
に酸化アルミニウムからなる高抵抗領域を有する層にな
り、表面伝導型の電子放出素子が形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子に関
し、特に、表面伝導型の電子放出素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】フラットパネルディスプレイの一種とし
て、ＦＥＤ（Field Emission Display）が精力的に研究
されている。このＦＥＤは、カソード基板とアノード基
板とを対向させ、カソード基板上に多数の電子放出素子
を配置し、この電子放出素子からアノード基板に向けて
電子を放出させ、アノード基板上の蛍光体層を発光させ
るものである。カソード基板上に形成される電子放出素
子は、個々の画素に対応することになる。これまで利用
されている電子放出素子は、電子放出に適した尖鋭な突
起構造を有するものが一般的であり、たとえば、先端部
が尖った円錐状の金属からなる電子放出素子が広く利用
されている。

【０００３】これに対して、近年、表面伝導型の電子放
出素子が注目を浴びている。これは、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
電子放出が生じる現象を利用した電子放出素子である。
このような電子放出現象は、１９６５年に「ラジオエン
ジニアリング エレクトロ フィジックス(Radio Eng.
Electron. Phys.)第１０巻、１２９０〜１２９６頁」
に、エム・アイ・エリンソン（M.I.Elinson ）らによっ
て報告されて以来、今日に至るまで種々の報告がなされ
ている。具体的には、エリンソンらによって開発された
ＳｎＯ_２（Ｓｂ）薄膜をはじめ、Ａｕ薄膜、ＩＴＯ薄
膜、カーボン薄膜などで、この表面伝導型の電子放出現
象が報告されている。このような現象は、高抵抗領域が
局所的に存在する薄膜について起こる特有の電子放出現
象であることが知られており、通常は、局所的な高抵抗
領域を形成するためにフォーミング処理が施される。た
とえば、特公平６−８７３９２号公報には、微粒子を含
む導電性薄膜に通電加熱を施すことにより、表面伝導型
の電子放出機能をもった電子放出素子を製造する方法が
開示されている。この方法では、通電加熱というフォー
ミング処理により、導電性薄膜内に局所的に亀裂を発生
させることができ、この亀裂部分が高抵抗領域として機
能することになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たフォーミング処理を施す製造方法では、安定した電子
放出が可能な素子を製造することが非常に困難である。
基板上に導電性薄膜を形成し、この導電性薄膜に通電加
熱などのフォーミング処理を施すと、通電破壊によって
膜内に局所的に亀裂が生じ、この亀裂部分が高抵抗領域
として機能することになる。したがって、安定した電子
放出を実現するためには、亀裂を薄膜内に均一に発生さ
せてやる必要がある。ところが、このフォーミング処理
工程において、亀裂の発生箇所や亀裂の大きさなどを制
御することは困難であり、安定した電子放出が可能な素
子を実現するためには、このフォーミング処理工程に高
度な技術が必要になる。

【０００５】また、上述したように、表面伝導型の電子
放出素子は、ＦＥＤなどのフラットパネルディスプレイ
への利用が期待されている素子であり、このようなディ
スプレイへ応用する場合、基板上に多数の素子を行列状
に配置し、各素子から安定した均一な電子放出を得る必
要がある。もし、動作が不安定な素子が混在するように
なると、ディスプレイとしての画面表示にムラが生じ、
もはや高品位のディスプレイは実現できなくなる。この
ため、ディスプレイへ応用する上では、各画素を構成す
る個々の電子放出素子の特性をできるだけ均一にし、す
べての素子から安定した電子放出が得られるようにする
必要がある。したがって、ディスプレイに利用される電
子放出素子の場合は、更に高度なフォーミング処理が要
求されることになる。

【０００６】このようなフォーミング処理の問題を解決
すべく、特公平６−１０１２９７号公報には、フォーミ
ング処理が必要ない電子放出素子の構造が提案されてい
る。すなわち、この公報には、第１の絶縁層の表面に微
粒子を分散させ、この上に第２の絶縁層を形成すること
により、微粒子の分散面を絶縁層によって挟持した構造
を作り、表面伝導型の電子放出素子を構成する技術が開
示されている。しかしながら、この構造では、微粒子分
散面を絶縁層によって挟み込む必要があるため、製造プ
ロセスが複雑化するという新たな問題が生じることにな
る。

【０００７】そこで本発明は、単純な工程で製造するこ
とができ、しかも安定した電子放出が可能な電子放出素
子およびその製造方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

(1) 本発明の第１の態様は、電子放出素子を、表面が
絶縁膜によって覆われた導電性材料からなる微粒子を多
数充填することにより構成される電子放出層と、この電
子放出層に接触し互いに所定間隔をおいて配置された一
対の電極と、電子放出層および一対の電極を支持する支
持基板と、によって構成したものである。

【０００９】(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１
の態様に係る電子放出素子において、電子放出層を構成
する微粒子として、直径が１００ｎｍ以下の超微粒子を
用いるようにしたものである。

【００１０】(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１
または第２の態様に係る電子放出素子を製造する方法に
おいて、導電性材料を収容した第１のチャンバと、電子
放出層を形成させる支持基板を収容した第２のチャンバ
と、を用意し、第１のチャンバ内に、導電性材料と反応
して絶縁化合物を生成する性質をもった反応性ガスを、
不活性ガスとともに導入しながら、導電性材料を加熱し
て蒸発させ、表面が絶縁化合物によって覆われた導電性
材料からなる微粒子を生成し、生成した微粒子を、第２
のチャンバ内にノズルから支持基板に向けて放出させる
ようにして導入し、支持基板上に電子放出層を形成する
ようにしたものである。

【００１１】(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１
または第２の態様に係る電子放出素子を製造する方法に
おいて、導電性材料を収容した第１のチャンバと、電子
放出層を形成させる支持基板を収容した第２のチャンバ
と、を用意し、第１のチャンバ内に、不活性ガスを導入
しながら、導電性材料を加熱して蒸発させ、導電性材料
からなる微粒子を生成し、生成した微粒子を移送管を通
じて第１のチャンバから第２のチャンバへと移送しつ
つ、この移送管の途中において、導電性材料と反応して
絶縁化合物を生成する性質をもった反応性ガスを導入
し、微粒子の表面に反応性ガスを反応させ、表面が絶縁
化合物によって覆われた微粒子を生成し、この微粒子
を、第２のチャンバ内にノズルから支持基板に向けて放
出させるようにして導入し、支持基板上に電子放出層を
形成するようにしたものである。

【００１２】(5) 本発明の第５の態様は、上述の第４
の態様に係る電子放出素子を製造する方法において、反
応性ガスを移送管の途中に導入する経路に、調圧チャン
バを設け、導入した反応性ガスが第１のチャンバ側へ逆
流しないように導入圧の調整を行うようにしたものであ
る。

【００１３】(6) 本発明の第６の態様は、上述の第１
または第２の態様に係る電子放出素子を製造する方法に
おいて、導電性材料を収容した第１のチャンバと、電子
放出層を形成させる支持基板を収容した第２のチャンバ
と、を用意し、第１のチャンバ内に不活性ガスを導入し
ながら、導電性材料を加熱して蒸発させ、導電性材料か
らなる微粒子を生成し、第２のチャンバ内に導電性材料
と反応して絶縁化合物を生成する性質をもった反応性ガ
スを導入した状態において、第１のチャンバで生成した
微粒子を、ノズルから支持基板に向けて放出させるよう
にして第２のチャンバ内に導入し、導入した微粒子の表
面に反応性ガスを反応させて絶縁化合物の膜を形成さ
せ、この膜を有する微粒子によって、支持基板上に電子
放出層を形成するようにしたものである。

【００１４】(7) 本発明の第７の態様は、上述の第１
または第２の態様に係る電子放出素子を製造する方法に
おいて、導電性材料とプラズマ生成用電極とを収容した
第１のチャンバと、電子放出層を形成させる支持基板を
収容した第２のチャンバと、を用意し、第１のチャンバ
内に不活性ガスを導入しながら導電性材料を加熱して蒸
発させ、プラズマ生成用電極の近傍に、導電性材料と反
応して絶縁化合物を生成する性質をもった反応性ガスを
導入しながら、プラズマ生成用電極に高周波電圧を印加
して反応性ガスによるプラズマを発生させ、蒸発した導
電性材料にこのプラズマを反応させ、表面が絶縁化合物
によって覆われた導電性材料からなる微粒子を生成し、
生成した微粒子を、第２のチャンバ内にノズルから支持
基板に向けて放出させるようにして導入し、支持基板上
に電子放出層を形成するようにしたものである。

【００１５】(8) 本発明の第８の態様は、上述の第３
〜第７の態様に係る電子放出素子を製造する方法におい
て、第２のチャンバ内に、支持基板を移動させる移動ス
テージを設け、この移動ステージにより支持基板を移動
させながら電子放出層を成長させることにより、移動軌
跡に応じたパターンの電子放出層を形成するようにした
ものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示する実施形態
に基づいて説明する。

【００１７】§１． 従来の電子放出素子の構造および
動作 はじめに、従来の一般的な表面伝導型の電子放出素子の
構造および動作原理を説明しておく。図１は、従来の表
面伝導型の電子放出素子１０および対向基板２０の構造
を示す断面図である。この例では、電子放出素子１０
は、ガラス基板１１上に電極１２，１３を形成し、更に
その上に電子放出層１４を形成することにより構成され
ている。電子放出層１４は、カソード電極として機能す
ることになり、たとえば、ＳｎＯ_２，Ｉｎ_２Ｏ_３，Ｐｂ
Ｏなどの金属酸化物、Ａｕ，Ａｇなどの金属、カーボン
その他各種半導体など、表面伝導型の電子放出現象が知
られている材料であればどのような材料で構成してもか
まわない。一方、対向基板２０は、ガラス基板２１上に
透明電極２２および蛍光体層２３を形成したものであ
る。透明電極２２は、たとえばＩＴＯなどの材料で構成
され、アノード電極として機能することになる。

【００１８】図２は、図１に示す電子放出素子１０にお
けるガラス基板１１上に形成された構成要素の上面図で
あり、この図における切断線１−１による断面が図１に
示されていることになる。電極１２および１３が所定間
隔をおいて向き合っており、その間に電子放出層１４が
形成されている状態が明瞭に示されている。

【００１９】いま、図１に示すように、各部に配線を施
した場合に生じる現象について考えてみる。この配線に
よれば、電極１３は接地され、電極１２には電源３１か
ら負の電圧が印加される。また、電子放出素子１０と対
向基板２０との間にも、電源３２によってカソード／ア
ノード間電圧が印加されるが、この図１に示す状態で
は、スイッチ３３が開いているため、電圧印加は行われ
ていない。さて、電極１２，１３によって、電子放出層
１４の両側に電圧が印加されると、電子放出層１４の膜
表面部分に、図に矢印で示したような電子放出が起こ
る。これが、表面伝導型の電子放出として知られている
現象である。

【００２０】ここで、スイッチ３３を閉じてカソード／
アノード間電圧を印加すれば、図３に示すように、電子
放出層１４の表面に放出された電子は、アノード側の対
向基板２０へと飛翔することになり、このようなカソー
ドからアノードへと向かう電子の衝突により、蛍光体層
２３が蛍光を発することになる。ここでは、説明の便宜
上、１画素分の構成要素のみを示したが、このような１
画素分の構成要素を縦横にマトリックス状に配列すれ
ば、画素を二次元平面上に並べたフラットパネルディス
プレイを実現することができる。なお、このようなフラ
ットパネルディスプレイでは、スイッチ３３を閉じた状
態のままとし、各画素ごとに電源３１からの印加電圧を
調節して、画素ごとの発光状態を制御するのが一般的で
ある。より具体的には、電子放出層１４に与える印加電
圧の値および印加時間を調節することにより、対向基板
２０側への電子の飛翔量を制御することができる。

【００２１】このような電子放出特性をもった電子放出
層を形成するために、従来は導電性薄膜に対するフォー
ミング処理を行っていた。すなわち、図４の側断面図に
示すように、ガラス基板１１上に一対の電極１２，１３
を形成した後、導電性薄膜１４Ｚを形成し、両電極１
２，１３間に電源３４からフォーミング用の比較的大き
な電流Ｉｆを供給し、ジュール熱により導電性薄膜１４
Ｚを局所的に破壊、変形もしくは変質させて電気的に高
抵抗な領域（具体的には、０．５μｍ〜５μｍ程度の亀
裂）を生成させ、電子放出層１４の形成を行っていた。
しかしながら、このようなフォーミング工程では、亀裂
の生成箇所や大きさを正確に制御することができないた
め、安定した電子放出が可能な電子放出層１４を形成す
ることが困難であることは既に述べたとおりである。

【００２２】§２． 本発明の電子放出素子の構造およ
び動作 本発明に係る電子放出素子は、図１に示すような表面伝
導型の電子放出素子において、電子放出層１４を、表面
が絶縁膜によって覆われた導電性材料からなる微粒子を
多数充填することにより構成したものである。図５は、
この電子放出層の基本構成を説明するための拡大断面図
である。

【００２３】いま、図５に断面が示されているように、
表面が絶縁膜によって覆われた導電性材料からなる微粒
子を多数用意する。この実施例では、アルミニウム（Ａ
ｌ）からなる超微粒子の表面に酸化アルミニウム（Ａｌ
_２Ｏ_３）の膜が形成されている。一般に、「超微粒子」
という言葉は、直径１００ｎｍ以下の微粒子に対して用
いられており、本実施形態では、いずれの超微粒子も直
径１０〜３０ｎｍ程度の大きさのものを用いている。ま
た、この超微粒子の表面に形成された酸化アルミニウム
の絶縁膜は膜厚５ｎｍ程度のものである。

【００２４】本願発明者は、このような表面絶縁膜を有
する超微粒子を支持基板上に充填して物理的な層を形成
すれば、この層は電子放出層として機能することを見出
したのである。たとえば、図５において左端点Ｐに示さ
れている超微粒子と、右端点Ｑに示されている超微粒子
との間に、所定の印加電圧Ｖ１を供給すると、二点ＰＱ
間に充填されている他のいくつかの超微粒子を介して電
流が流れることになる。超微粒子の充填密度をある程度
以上に保てば、三次元空間内において、各超微粒子の大
部分は他の超微粒子と表面接触した状態になる。このよ
うな構造体において、電子放出現象が起こる理由につい
て、詳細な理論的考察は現段階ではなされていないが、
本願発明者は、各微粒子の表面に形成された絶縁膜が、
高抵抗領域として機能するためであると考えている。す
なわち、従来のフォーミング処理によって生成される亀
裂と同じ機能を、各微粒子表面の絶縁膜が果たしている
ものと思われる。したがって、本発明では、従来のよう
なフォーミング処理は不要になる。

【００２５】図６は、本発明の一実施形態に係る電子放
出素子の具体的な構造を示す斜視図である。支持基板４
１上において、一対の電極４２，４３に挟持されるよう
にして、いわゆるカマボコ型の電子放出層４４が形成さ
れている。この電子放出層４４は、図５に示した超微粒
子を所定の密度に充填してなる層であり、その両端部を
覆うように、一対の電極４２，４３がそれぞれ形成され
ている。一方の電極４２と他方の電極４３との間に所定
の印加電圧Ｖ１を供給すれば、前述のように、電子放出
層４４には所定の電流Ｉ１が流れることになる。このと
き、電子放出層４４内を移動中の電子の一部が表面から
外部に放出される。したがって、図に破線で示すような
対向電極４５を用意し、この対向電極４５にアノード電
圧Ｖ２を印加し、支持基板４１と対向電極４５との間の
空間を所定の真空度に維持しておけば、電子放出層４４
の表面から放出された電子が対向電極４５へと向かって
飛翔し、放出電流Ｉ２を生じることになる。このよう
に、支持基板４１、ならびに、その上に形成された一対
の電極４２，４３および電子放出層４４によって、電子
放出素子が形成されることになる。なお、印加電圧Ｖ１
は、直流電圧に限らず、交流電圧でもよい。

【００２６】ここで、電子放出層４４の表面からは、非
常に安定した電子放出が得られる。電子放出層４４は、
図５に示すような超微粒子を一様に充填させてなる層で
ある。もちろん、個々の超微粒子をミクロ的に見れば、
それぞれ直径や形状も異なり、また、隣接する超微粒子
との接触状態もそれぞれ異なっている。しかしながら、
電子放出層４４全体としてマクロ的に見れば、各超微粒
子の分布も相互の接触状態も均一とみなすことができ
る。したがって、高抵抗領域として機能する絶縁膜の分
布も、マクロ的には均一なものとなり、非常に安定した
電子放出が得られるのである。また、たとえば、この１
つの電子放出層４４によって１画素を表示するディスプ
レイ装置を製造する場合、支持基板４１上には多数の独
立した電子放出層４４が形成されることになるが、マク
ロ的に見れば、各電子放出層４４内の超微粒子構造や密
度はほぼ同一になり、画素間における表示特性も均一に
なる。このため、画素間の表示特性にムラのない高品位
のディスプレイ装置が実現できる。

【００２７】§３． 本発明の電子放出素子の別な実施
形態 本発明に係る電子放出素子は、図６に示すような構造に
限定されるものではなく、支持基板上に、表面が絶縁膜
によって覆われた導電性材料からなる微粒子を多数充填
することにより構成される電子放出層と、この電子放出
層に接触し互いに所定間隔をおいて配置された一対の電
極と、が形成された構造であれば、どのような構造であ
ってもかまわない。たとえば、図１に示す従来構造の電
子放出素子に本発明を適用する場合は、電子放出層１４
を図５に示す微粒子充填構造にすればよい。以下、いく
つかの別な実施形態の構造を例示しておく。

【００２８】図６に示す構造は、支持基板４１上に電極
４２，電子放出層４４，電極４３を横に並べたものであ
り、図１に示す構造も、支持基板１１上に電極１２，電
子放出層１４，電極１３を横に並べたものである。これ
に対して、図７に示す構造は、これを縦に並べるように
したものである。すなわち、まず、図７(a) に示すよう
に、支持基板５１（図示されていない）の上に、下部電
極層５２，中間絶縁層５３，上部電極層５４を積層した
三層構造体を形成し、更に、その側面端部に、図７(b)
に示すように電子放出層５５を形成するのである。ここ
で、電子放出層５５は、図５に示すように、表面が絶縁
膜によって覆われた導電性材料からなる微粒子を多数充
填した層である。このような構造によっても、電子放出
素子５０を形成することができる。

【００２９】すなわち、図８の側断面図に示されている
ように、ガラス基板５１上に、下部電極層５２，中間絶
縁層５３，上部電極層５４を積層した三層構造体を形成
し、更に、その側面端部に、電子放出層５５を形成して
なる電子放出素子５０を用意し、その上方に対向基板２
０を配置する。対向基板２０は、ガラス基板２１上に透
明電極２２および蛍光体層２３を形成したものである。
ここで、図８に示すように各部に配線を施す。この配線
によれば、電極層５２は接地され、電極層５４には電源
３１から負の電圧が印加される。また、電子放出素子５
０と対向基板２０との間にも、電源３２によってカソー
ド／アノード間電圧が印加されるが、この図８に示す状
態では、スイッチ３３が開いているため、電圧印加は行
われていない。電極層５２，５４によって、電子放出層
５５の両側に電圧が印加されると、電子放出層５５の膜
表面部分に、図に矢印で示したような電子放出が起こ
る。

【００３０】ここで、スイッチ３３を閉じてカソード／
アノード間電圧を印加すれば、図９に示すように、電子
放出層５５の表面に放出された電子は、アノード側の対
向基板２０へと飛翔することになり、このようなカソー
ドからアノードへと向かう電子の衝突により、蛍光体層
２３が蛍光を発することになる。ここでは、説明の便宜
上、１画素分の構成要素のみを示したが、このような１
画素分の構成要素を縦横にマトリックス状に配列すれ
ば、画素を二次元平面上に並べたフラットパネルディス
プレイを実現することができる。なお、このようなフラ
ットパネルディスプレイでは、スイッチ３３を閉じた状
態のままとし、各画素ごとに電源３１からの印加電圧を
調節して、画素ごとの発光状態を制御するのが一般的で
ある。より具体的には、電子放出層５５に与える印加電
圧の値および印加時間を調節することにより、対向基板
２０側への電子の飛翔量を制御することができる。

【００３１】図１０に示す構造は、図７に示す構造に段
差を設けたものである。すなわち、まず、図１０(a) に
示すように、支持基板６１（図示されていない）の上
に、下部電極層６２，中間絶縁層６３，上部電極層６４
を積層した三層構造体を形成する。この三層構造体は、
側部が段差構造となっている。そこで、この段差構造部
分に、図１０(b) に示すように電子放出層６５を形成す
るのである。ここで、電子放出層６５は、図５に示すよ
うに、表面が絶縁膜によって覆われた導電性材料からな
る微粒子を多数充填した層である。このような構造によ
っても、電子放出素子６０を形成することができる。

【００３２】要するに、本発明の特徴は、表面が絶縁膜
によって覆われた導電性材料からなる微粒子を多数充填
して電子放出層を形成する点にあり、この電子放出層に
対して一対の電極をどのような形態で接触させて電子放
出素子を構成してもかまわない。

【００３３】§４． 本発明に係る電子放出層の製造方
法 上述したように、本発明の特徴は、表面が絶縁膜によっ
て覆われた導電性材料からなる微粒子を多数充填して電
子放出層を形成する点にあるが、このような電子放出層
は、非常に簡便な製造プロセスで製造可能である。たと
えば、第１のチャンバ内を所定の真空度に保ち、不活性
ガスを導入しながら金属を加熱して蒸発させれば、チャ
ンバ内に金属微粒子を充満させることができる。そこ
で、この第１のチャンバ内に、不活性ガスの他に、この
金属と反応して絶縁化合物を生成する性質をもった反応
性ガスを導入すれば、金属微粒子の表面に反応性ガスを
反応させて絶縁化合物の膜を形成させることができる。
こうして、表面に絶縁膜が形成された微粒子を、支持基
板を収容した第２のチャンバ内に導入し、ノズルから支
持基板に向けて放出すれば、支持基板上に微粒子の充填
層が作られ、上述の原理に基づく電子放出現象が起こる
電子放出層が得られる。

【００３４】微粒子の大きさや絶縁膜の厚みは、チャン
バ内の真空度や材料の蒸発温度によって制御することが
できる。支持基板上に形成される電子放出層内には、膨
大な数の微粒子が堆積した状態になり、全体として、微
粒子の密度や分布は支持基板上で均一になるため、安定
した電子放出が得られることになる。

【００３５】また、第２のチャンバ内に、支持基板を移
動させる移動ステージを設け、この移動ステージにより
支持基板を移動させながら電子放出層を成長させるよう
にすれば、ノズルから放出される微粒子を支持基板上の
任意の位置へ堆積させることが可能になり、移動軌跡に
応じた任意のパターンを非常に簡単に形成させることが
できる。

【００３６】なお、反応性ガスは、第１のチャンバから
第２のチャンバへ向かう移送管の途中において導入する
ことも可能である。この場合は、反応性ガスを導入する
経路に調圧チャンバを設け、導入した反応性ガスが第１
のチャンバ側へ逆流しないように導入圧の調整を行うよ
うにするとよい。あるいは、反応性ガスを第２のチャン
バ側に導入し、ノズルから放出した金属微粒子の表面に
絶縁膜を形成させた直後に、支持基板上に堆積させるよ
うにしてもよい。また、第１のチャンバ内に反応性ガス
を導入する場合には、チャンバ内にプラズマ生成用電極
を用意しておき、このプラズマ生成用電極の近傍に反応
性ガスを導入し、プラズマ状態の反応性ガスにより絶縁
膜の形成を行うようにすると効率的である。

【００３７】

【実施例】以下、本発明に係る電子放出素子の具体的な
製造方法を図示するいくつかの実施例に基いて説明す
る。この製造プロセスは、いわゆる反応性ガスデポジシ
ョン装置を用いた反応性超微粒子成膜技術を利用したも
のである。この方法によれば、表面が絶縁膜に覆われた
導電性微粒子の充填層を基板上に形成させることが、短
時間で、かつ非常に簡単なプロセスで行うことができ
る。

【００３８】(1) 第１の製造方法 まず、図１１に示すように、２つのチャンバを用意す
る。第１のチャンバ１１０は、収容したアルミニウム材
料１１１を蒸発させて、アルミニウムの超微粒子を生成
し、その表面に酸化膜を形成させるためのチャンバであ
り、第２のチャンバ１２０は、この第１のチャンバ１１
０で生成された微粒子を、支持基板１０１上にノズル１
２１から放出することにより、支持基板１０１上に電子
放出層１０４を形成させるためのチャンバである。後述
するように、支持基板１０１は、移動ステージ１２２上
に載置されている。なお、この第２のチャンバ１２０内
は、排気管１２３を介して真空ポンプ（図示されていな
い）などで排気されており、所定の真空度に保つことが
できる。また、第１のチャンバ１１０と第２のチャンバ
１２０とは、移送管１１４によって連結されているた
め、排気管１２３からの排気により、第１のチャンバ１
１０内も間接的に排気され、所定の真空度に保たれるこ
とになる。両チャンバ内の真空度は、真空ポンプによる
排気能率やノズル１２１の口径などを調節することによ
り制御できる。

【００３９】第１のチャンバ１１０内には、アルミニウ
ム材料１１１を入れるためのルツボ１１２が備わってお
り、このルツボ１１２は、図示されていない加熱装置に
よって加熱される（抵抗加熱・高周波加熱などを利用す
ればよい）。チャンバ１１０内には、ガス導入管１１３
によって不活性ガスとしてのヘリウムと反応性ガスとし
ての酸素とが導入される。反応性ガスは、ルツボ１１２
内の導電性材料と反応して絶縁化合物を生成する性質を
もったガスであればどのようなガスでもかまわない。こ
の実施例では、アルミニウムと反応して酸化アルミニウ
ムを生成する性質をもった酸素ガス（Ｏ_２）を反応性ガ
スとして用いているが、この他にも、たとえばアンモニ
アガス（ＮＨ_３）、窒素ガス（Ｎ_２）などを反応性ガス
として用いてもよい。

【００４０】ガス導入管１１３からヘリウムおよび酸素
を導入しながら、第１のチャンバ１１０内を所定の真空
度に保ち、ルツボ１１２を加熱してアルミニウム材料１
１１を蒸発させると、アルミニウム蒸気がチャンバ１１
０内に充満することになる。そして、チャンバ１１０内
において、散在しているアルミニウム原子が互いに結合
して、アルミニウムの微粒子が生成される。ところが、
チャンバ内には、ヘリウムガスとともに酸素ガスが導入
されているので、生成されたアルミニウムの微粒子の表
面は酸素ガスによる酸化を受けて酸化膜が形成されるこ
とになる（ガス中蒸発法）。

【００４１】導入するヘリウムガスと酸素ガスとの配分
率は、適宜選択することができるが、生成される超微粒
子の酸化膜を薄くするためには、酸素の配分率を小さく
する必要がある。この実施例では、酸素の配分率を１０
％程度としている。生成される微粒子の大きさは、チャ
ンバ内の真空度と、ルツボ１１２の温度によって制御す
ることができる。チャンバ内の圧力を、数１０ｍｔｏｒ
ｒ〜数１０００ｔｏｒｒ程度に維持すれば、アルミニウ
ムの超微粒子を生成することが可能であるが、最終的に
製造される電子放出層１０４の密度を高くするために
は、３００ｔｏｒｒ以上に維持しておくのが好ましい。

【００４２】第１のチャンバ１１０内で生成された微粒
子（表面に酸化膜が形成されたアルミニウム微粒子）
は、移送管１１４を伝わって第２のチャンバ１２０内に
送られ、ノズル１２１から支持基板１０１に向かって放
出される。排気管１２３からの排気により、第２のチャ
ンバ１２０内の圧力は、第１のチャンバ１１０内の圧力
より低くなるため、微粒子はチャンバ間の圧力差に基い
て、自然に第２のチャンバ１２０内に移送され、ノズル
１２１から放出されることになる。この実施例では、第
１のチャンバ１１０の圧力を５００ｔｏｒｒに維持する
とともに、第２のチャンバ１２０の圧力を５ｔｏｒｒ以
下に維持することができるように、排気系やノズル径の
設定を行っている。

【００４３】第２のチャンバ１２０内には、移動ステー
ジ１２２が設けられており、支持基板１０１は、この移
動ステージ１２２上に固定されている。ノズル１２１か
ら放出された超微粒子は、支持基板１０１の上面に吹き
付けられる。移動ステージ１２２は、このノズル１２１
の吹き出し方向に対して垂直な平面内において、支持基
板１０１を自由に移動させることができる。そこで、た
とえば、図１２に示すように、矢印Ａの方向に支持基板
１０１をゆっくりと移動させながら、ノズル１２１から
の超微粒子を支持基板１０１上に吹き出させれば、支持
基板１０１上には、この矢印Ａで示す移動軌跡に応じた
パターンをもった電子放出層１０４を成長させることが
できる。この実施例では、幅２００μｍ、厚み（高さ）
２０μｍ、長さ１０ｍｍ程度の寸法をもった電子放出層
１０４を得ている。

【００４４】こうして得られた電子放出層１０４の両端
に、それぞれ電極層を形成するようにすれば、図６に示
すような構造をもった電子放出素子が形成できる。な
お、上述の方法によれば、移動ステージ１２２の移動軌
跡によって、任意のパターンをもった電子放出層１０４
を形成することができる。たとえば、図７(a) に示すよ
うな三層構造体を予め基板上に形成しておき、その側面
部にノズル１２１からの微粒子を吹き付けるようにすれ
ば、図７(b) に示すような電子放出層５５を形成するこ
とも可能である。また、移動ステージ１２２の移動速
度、ルツボ１１２の温度（材料の蒸発速度を左右す
る）、導入ガスの流量などを制御することにより、形成
される電子放出層の厚みは自由に制御することが可能で
ある。更に、必要に応じて、アルミニウムに対するエッ
チャントを用いれば、電子放出層を形成後に、エッチン
グプロセスにより、この電子放出層に対するパターニン
グを行うことも可能である。

【００４５】なお、この第１の製造方法では、第１のチ
ャンバ１１０内に酸素ガスを導入するため、ルツボ１１
２やその加熱機構が酸化により劣化することのないよう
にする必要がある。特に、一般的なカーボンルツボや、
加熱用タングステンヒータを用いると、カーボンやタン
グステンが酸化を受け好ましくない。そこで、たとえ
ば、ＢＮルツボ（Boron Nitride 製のルツボ）などをル
ツボ１１２として用いるのが好ましい。

【００４６】(2) 第２の製造方法 上述した第１の製造方法では、第１のチャンバ１１０内
に反応性ガスを導入して表面酸化膜の形成を行ったが、
第１のチャンバ１１０から第２のチャンバ１２０への移
送途中で反応性ガスを導入し、表面酸化を行うようにし
てもよい。図１３は、このような製造プロセスを行うた
めの装置の構成図である。第１のチャンバ１１０には、
ガス導入管１１３によって不活性ガスとしてのヘリウム
だけが導入されており、反応性ガスは、移送管１１４の
途中に設けられた別なガス導入管１１５から導入され
る。このガス導入管１１５から導入する反応性ガスとし
ては、ここでは酸素ガス（Ｏ_２）を用いているが、上述
の第１の製造方法と同様に、アンモニアガス（Ｎ
Ｈ_３）、窒素ガス（Ｎ_２）などを用いてもよい。また、
これらの反応性ガスをヘリウムなどの不活性ガスに混ぜ
てガス導入管１１５から導入するようにしてもよい。

【００４７】このような方法によれば、第１のチャンバ
１１０内では、アルミニウムからなる超微粒子が生成さ
れるが、この超微粒子は、移送管１１４を介して第２の
チャンバ１２０へと移送される途中において、ガス導入
管１１５から導入された反応性ガスと反応し、表面に酸
化膜が形成されることになる。したがって、第２のチャ
ンバ１２０内のノズル１２１から放出される超微粒子
は、表面に酸化膜が形成されたアルミニウムの超微粒子
となり、前述の方法と同様に、支持基板１０１上に電子
放出層１０４を形成することができる。

【００４８】なお、ガス導入管１１５から反応性ガスを
導入する場合、導入したガスが第１のチャンバ１１０側
へと逆流する可能性がある。このような逆流が起こる
と、移送管１１４を介しての第２のチャンバ１２０への
微粒子移送が円滑に行われなくなる。そこで、実用上
は、図１４に示すように、ガス導入管１１５の経路途中
に調圧チャンバ１１６を設け、導入した反応性ガスが第
１のチャンバ１１０側へ逆流しないように、導入圧の調
整を行うようにするのが好ましい。この実施例では、第
１のチャンバ１１０を５００ｔｏｒｒ、第２のチャンバ
１２０を５ｔｏｒｒに維持しつつ、調圧チャンバ１１６
を５００ｔｏｒｒに調圧することにより、ガスの逆流を
防止している。

【００４９】(3) 第３の製造方法 反応性ガスを第２のチャンバ１２０内に導入して表面酸
化を行うことも可能である。図１５は、このような製造
プロセスを行うための装置の構成図である。第２のチャ
ンバ１１０には、ガス導入管１１３によって不活性ガス
としてのヘリウムだけが導入されており、反応性ガス
は、第２のチャンバ１２０側にガス導入管１２４から導
入されている。このガス導入管１２４から導入する反応
性ガスとしては、ここでは酸素ガス（Ｏ_２）を用いてい
るが、上述の各製造方法と同様に、アンモニアガス（Ｎ
Ｈ_３）、窒素ガス（Ｎ_２）などを用いてもよい。また、
これらの反応性ガスをヘリウムなどの不活性ガスに混ぜ
てガス導入管１２４から導入するようにしてもよい。

【００５０】このような方法によれば、第１のチャンバ
１１０内では、アルミニウムからなる超微粒子が生成さ
れ、この超微粒子は、移送管１１４を介して第２のチャ
ンバ１２０へと導入される。そして、ノズル１２１から
放出された時点で、ガス導入管１２３から導入された酸
素ガスと反応し、表面に酸化膜が形成されることにな
る。したがって、支持基板１０１上には、表面に酸化膜
が形成されたアルミニウムの超微粒子が吹き付けられ、
前述の各方法と同様に、支持基板１０１上に電子放出層
１０４を形成することができる。

【００５１】(4) 第４の製造方法 反応性ガスとの反応を促進させるためには、反応性ガス
をプラズマ化すると効果的である。図１６は、このよう
な製造プロセスを行うための装置の構成図である。第１
のチャンバ１１０には、更に、プラズマ生成用電極１１
７ａ，１１７ｂが設けられており、この一対の電極間に
高周波電圧ＲＦを印加できるような構成になっている。
また、不活性ガス用のガス導入管１１３とは別に、反応
性ガス用のガス導入管１１８が設けられている。このガ
ス導入管１１８によって、反応性ガスがプラズマ生成用
電極１１７ａ，１１７ｂの近傍に導入され、両電極間に
高周波電圧ＲＦを印加することにより、この電極近傍に
プラズマ状態の反応性ガスを発生させることができる。
なお、ガス導入管１１８から導入する反応性ガスとして
は、ここでは酸素ガス（Ｏ_２）を用いているが、上述の
各製造方法と同様に、アンモニアガス（ＮＨ_３）、窒素
ガス（Ｎ_２）などを用いてもよい。また、これらの反応
性ガスをヘリウムなどの不活性ガスに混ぜてガス導入管
１１８から導入するようにしてもよい。

【００５２】ルツボ１１１から蒸発したアルミニウム蒸
気は、プラズマ生成用電極１１７ａ，１１７ｂ間を通っ
て、移送管１１４へと向かうことになるが、その行程に
おいて、プラズマ化した反応性ガスと反応し、表面に絶
縁膜が形成されることになる。こうして、表面に絶縁膜
が形成された微粒子は、第２のチャンバ１２０へと移送
され、ノズル１２１から放出される。したがって、支持
基板１０１上には、表面に酸化膜が形成されたアルミニ
ウムの超微粒子が吹き付けられ、前述の各方法と同様
に、支持基板１０１上に電子放出層１０４を形成するこ
とができる。

【００５３】もっとも、酸素ガスは比較的反応性の高い
ガスであるため、実用上は、あえて酸素ガスをプラズマ
化して反応を促進する必要はない。しかしながら、窒素
ガスのように、比較的反応性の低いガスを利用する場合
には、このようなプラズマ化する方法は非常に有効であ
る。

【００５４】以上、本発明を図示する実施例に基いて説
明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではな
く、この他にも種々の態様で実施可能である。たとえ
ば、上述の実施例では、表面に酸化アルミニウムが形成
されたアルミニウム超微粒子を用いて電子放出層１０４
を形成しているが、超微粒子の構成材料はこれらのもの
に限定されるものではなく、アルミニウムの代わりに、
鉄、銅、銀などの別な金属やこれらの合金を用いてもか
まわないし、たとえば、ＳｎＯ_２，Ｉｎ_２Ｏ_３，ＰｂＯ
などの金属化合物やカーボンなど、金属以外の別な導電
性材料を用いてもかまわない。本明細書における「導電
性材料」は、半導体をも含んだ広い概念であり、アルミ
ニウムの代わりにシリコンを用い、このシリコンの微粒
子表面に酸化シリコンからなる絶縁膜を形成してもよ
い。また、絶縁膜も「導電性材料」に対して高抵抗膜と
して機能する材料であれば、種々の材料を用いることが
できる。

【００５５】また、上述の実施例では、微粒子材料をル
ツボに入れて加熱しているが、ルツボを用いずに微粒子
材料を直接加熱するようにしてもよい。このような直接
加熱の方法としては、レーザアブレーション法、ラ
ンプ加熱法（たとえば、キセノンランプの光を集光して
加熱する方法）、高周波加熱法などを用いることがで
き、特に、上記およびの方法は、シリコンなどの低
熱伝導率をもち高融点の材料を加熱する場合に有効であ
る。

【００５６】

【発明の効果】以上のとおり本発明によれば、表面が絶
縁膜で覆われた超微粒子を充填させて電子放出層を実現
したため、安定した電子放出が可能であり、また、製造
プロセスが簡便な電子放出素子を実現することが可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来提案されている一般的な表面伝導型の電子
放出素子１０および対向基板２０の構造を示す断面図で
ある。

【図２】図１に示す電子放出素子１０におけるガラス基
板１１上に形成された構成要素の上面図であり、この図
における切断線１−１による断面が図１に示されてい
る。

【図３】図１に示す電子放出素子１０からの電子放出が
行われている状態を示す断面図である。

【図４】図１に示す電子放出素子１０の電子放出層１４
をフォーミング処理により形成する方法を示す断面図で
ある。

【図５】本発明に係る電子放出素子における電子放出層
の基本構成を説明するための拡大断面図である。

【図６】本発明の一実施形態に係る電子放出素子の具体
的な構造を示す斜視図である。

【図７】本発明の別な一実施形態に係る電子放出素子５
０の具体的な構造を示す斜視図である。

【図８】図７に示す電子放出素子５０および対向基板２
０の構造を示す断面図である。

【図９】図７に示す電子放出素子５０からの電子放出が
行われている状態を示す断面図である。

【図１０】本発明の更に別な一実施形態に係る電子放出
素子６０の具体的な構造を示す斜視図である。

【図１１】本発明に係る電子放出素子の第１の製造方法
を実施するための装置構成を示すブロック図である。

【図１２】図１１に示す装置における第２のチャンバ１
２０内の詳細図である。

【図１３】本発明に係る電子放出素子の第２の製造方法
を実施するための装置構成を示すブロック図である。

【図１４】本発明に係る電子放出素子の第２の製造方法
を実施するための別な装置構成を示すブロック図であ
る。

【図１５】本発明に係る電子放出素子の第３の製造方法
を実施するための装置構成を示すブロック図である。

【図１６】本発明に係る電子放出素子の第４の製造方法
を実施するための装置構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０…電子放出素子 １１…ガラス基板 １２…電極 １３…電極 １４…電子放出層 １４Ｚ…導電性薄膜 ２０…対向基板 ２１…ガラス基板 ２２…透明電極 ２３…蛍光体層 ３１…電源 ３２…電源 ３３…スイッチ ３４…電源 ４１…支持基板 ４２…電極 ４３…電極 ４４…電子放出層 ４５…対向基板 ５０…電子放出素子 ５１…支持基板 ５２…下部電極層 ５３…中間絶縁層 ５４…上部電極層 ５５…電子放出層 ６０…電子放出素子 ６１…支持基板 ６２…下部電極層 ６３…中間絶縁層 ６４…上部電極層 ６５…電子放出層 １０１…支持基板 １０４…電子放出層 １１０…第１のチャンバ １１１…アルミニウム材料 １１２…ルツボ １１３…ガス導入管 １１４…移送管 １１５…ガス導入管 １１６…調圧チャンバ １１７ａ，１７ｂ…プラズマ生成用電極 １１８…ガス導入管 １２０…第２のチャンバ １２１…ノズル １２２…移動ステージ １２３…排気管 １２４…ガス導入管 Ｉ１…ダイオード電流 Ｉ２…放出電流 Ｉｆ…フォーミング用電流 Ｖ１…印加電圧 Ｖ２…アノード電圧

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面が絶縁膜によって覆われた導電性材
   料からなる微粒子を多数充填することにより構成される
   電子放出層と、この電子放出層に接触し互いに所定間隔
   をおいて配置された一対の電極と、前記電子放出層およ
   び前記一対の電極を支持する支持基板と、を有すること
   を特徴とする電子放出素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の電子放出素子におい
   て、 電子放出層を構成する微粒子として、直径が１００ｎｍ
   以下の超微粒子を用いたことを特徴とする電子放出素
   子。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の電子放出素子
   の製造方法において、 導電性材料を収容した第１のチャンバと、電子放出層を
   形成させる支持基板を収容した第２のチャンバと、を用
   意し、 前記第１のチャンバ内に、前記導電性材料と反応して絶
   縁化合物を生成する性質をもった反応性ガスを、不活性
   ガスとともに導入しながら、前記導電性材料を加熱して
   蒸発させ、表面が前記絶縁化合物によって覆われた導電
   性材料からなる微粒子を生成し、 生成した微粒子を、前記第２のチャンバ内にノズルから
   支持基板に向けて放出させるようにして導入し、前記支
   持基板上に電子放出層を形成することを特徴とする電子
   放出素子の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１または２に記載の電子放出素子
   の製造方法において、 導電性材料を収容した第１のチャンバと、電子放出層を
   形成させる支持基板を収容した第２のチャンバと、を用
   意し、 前記第１のチャンバ内に、不活性ガスを導入しながら、
   前記導電性材料を加熱して蒸発させ、前記導電性材料か
   らなる微粒子を生成し、 生成した微粒子を移送管を通じて前記第１のチャンバか
   ら前記第２のチャンバへと移送しつつ、この移送管の途
   中において、前記導電性材料と反応して絶縁化合物を生
   成する性質をもった反応性ガスを導入し、前記微粒子の
   表面に前記反応性ガスを反応させ、表面が前記絶縁化合
   物によって覆われた微粒子を生成し、 この微粒子を、前記第２のチャンバ内にノズルから支持
   基板に向けて放出させるようにして導入し、前記支持基
   板上に電子放出層を形成することを特徴とする電子放出
   素子の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の電子放出素子の製造方
   法において、 反応性ガスを移送管の途中に導入する経路に、調圧チャ
   ンバを設け、導入した反応性ガスが第１のチャンバ側へ
   逆流しないように導入圧の調整を行うことを特徴とする
   電子放出素子の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項１または２に記載の電子放出素子
   の製造方法において、 導電性材料を収容した第１のチャンバと、電子放出層を
   形成させる支持基板を収容した第２のチャンバと、を用
   意し、 前記第１のチャンバ内に不活性ガスを導入しながら、前
   記導電性材料を加熱して蒸発させ、前記導電性材料から
   なる微粒子を生成し、 前記第２のチャンバ内に前記導電性材料と反応して絶縁
   化合物を生成する性質をもった反応性ガスを導入した状
   態において、前記第１のチャンバで生成した微粒子を、
   ノズルから支持基板に向けて放出させるようにして前記
   第２のチャンバ内に導入し、導入した微粒子の表面に前
   記反応性ガスを反応させて前記絶縁化合物の膜を形成さ
   せ、この膜を有する微粒子によって、前記支持基板上に
   電子放出層を形成することを特徴とする電子放出素子の
   製造方法。
7. 【請求項７】 請求項１または２に記載の電子放出素子
   の製造方法において、 導電性材料とプラズマ生成用電極とを収容した第１のチ
   ャンバと、電子放出層を形成させる支持基板を収容した
   第２のチャンバと、を用意し、 前記第１のチャンバ内に不活性ガスを導入しながら前記
   導電性材料を加熱して蒸発させ、前記プラズマ生成用電
   極の近傍に、前記導電性材料と反応して絶縁化合物を生
   成する性質をもった反応性ガスを導入しながら、前記プ
   ラズマ生成用電極に高周波電圧を印加して反応性ガスに
   よるプラズマを発生させ、蒸発した前記導電性材料に前
   記プラズマを反応させ、表面が前記絶縁化合物によって
   覆われた導電性材料からなる微粒子を生成し、 生成した微粒子を、前記第２のチャンバ内にノズルから
   支持基板に向けて放出させるようにして導入し、前記支
   持基板上に電子放出層を形成することを特徴とする電子
   放出素子の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項３〜７のいずれかに記載の電子放
   出素子の製造方法において、 第２のチャンバ内に、支持基板を移動させる移動ステー
   ジを設け、この移動ステージにより支持基板を移動させ
   ながら電子放出層を成長させることにより、移動軌跡に
   応じたパターンの電子放出層を形成することを特徴とす
   る電子放出素子の製造方法。