JPH0935670A

JPH0935670A - フィールド・エミッション・ディスプレイ素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0935670A
Application number: JP20505495A
Authority: JP
Inventors: Makoto Takahashi; 真高橋
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1995-07-20
Filing date: 1995-07-20
Publication date: 1997-02-07

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のフィールド・エミッション・ディスプ
レイ素子と比較して発光効率が高く、色ずれが起きず、
かつ製造容易なＦＥＤ素子の開発を目的とする。【解決手段】一方のガラス基板には、カソード電極、
エミッタ電極、ゲート電極からなる電界放出電極を形成
し、他方のガラス基板には、透明アノード電極と蛍光体
膜を形成する。また、各単位素子の周囲には、スペーサ
層を設けて対向するアノード電極側と接触可能な構成と
した。双方のガラス基板上に電極等を形成した後、基板
を対面して周囲を密封シールした構成とする。このよう
な構成とすることにより、対向する電極間の距離を接近
させることができ、画素の色ずれを防止し、蛍光体の剥
離を防止し、低電圧で発光効率を高めることが可能とな
る。さらに、ＦＥＤ素子内部には、不活性ガスを充満し
たので、機能を長期間安定に維持することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自発光型で、例え
ば、平面的な又は薄型の表示手段として用いられるいわ
ゆるフィールド・エミッション・ディスプレイ（以下
「ＦＥＤ」とする）素子の構造及びその製造方法に関す
るものである。

【０００２】半導体素子の普及にともない、真空管の技
術は忘れ去られた存在になっていたが、ここ数年になっ
て、この真空管の技術が改めて注目を集めている。いわ
ゆるＦＥＤ素子の開発と応用のためである。このＦＥＤ
素子は、長年にわたる半導体素子の研究で養われた微細
加工技術を応用して、同一基板上にミクロンサイズの真
空管を集積したようなものである。

【０００３】即ち、このディスプレイは、エミッタ電極
とゲート電極とアノード電極を備え、ゲート電極によっ
てエミッタから電子を引き出して、これをアノード電極
に放出させるものである。ゲート電極に印加する電圧を
制御することにより、エミッタから放出される電子の量
が制御されるものである。

【０００４】このＦＥＤ素子を実用化するためには、高
効率で安定に電子を放出するエミッタの開発が必要であ
る。これまでのところ、電界放射エミッタをはじめ、Ｍ
ＩＳ構造、ＰＮダイオード、ショットキー接合等が精力
的に研究され、このうち最も電界放射電流密度が高く得
られるのが電界放射エミッタである。

【０００５】通常の半導体素子では固体中を電子が移動
するため、動作速度はその固体中の電子の移動度によっ
て支配される。これに対してＦＥＤ素子は真空中を電子
が移動するため、半導体素子に比べて非常に高速動作が
可能であり、真空の利点を生かした電荷輸送媒体として
注目を集めている。また、ＦＥＤ素子の研究に伴ってエ
ミッタの開発が行われており、平面ディスプレイ等への
応用が発表されている。

【０００６】

【従来技術】最近の発表で、ＩＶＭＣ９１Ｔｅｃｈｎ
ｉｃａｌＤｉｇｅｓｔｐ５８（１９９１）による
と、１×１０^-9Ｔｏｒｒの超高真空チャンバ内で、蛍光
体にＹ₂ＳｉＯ₅：Ｔｂを用いて、アノード電流９０μ
Ａ／ｃｍ²、アノード電圧ＡＣ８ＫＶにおいて約１５０
００個のマイクロチップで６６７００ｃｄ／ｍ²の緑色
発光を得た。この時のグリット電圧は、ＡＣ２００Ｖで
ある。これらの欠点としてはアノード電圧及びグリット
電圧が非常に高くその結果、蛍光体の劣化や剥離等が発
生し、極度にディスプレイとしての信頼性が落ちること
である。また、超高真空の長期間の維持、ディスプレイ
の画面上にクロストークが発生する等の問題点を持って
いる。

【０００７】従来までの一般的なＦＥＤ構造を図５に示
す。ＦＥＤ素子は、通常電界放出電極がシリコンウエハ
ー（１１）上に形成され、超高真空を維持するために、
厚い特殊な構造のガラスカバー（１ｂ，１ｃ）の中に封
入されている。この中は、エミッタ電極（３）から電子
が飛び出しやすいように超高真空とし、反対側には蛍光
体（８）を塗布した発光層を設けてある。双方のガラス
基板はガラスフリット（９ｂ）で密封シールされてい
る。カソード電極（２）と透明アノード電極（７）間に
予め高い電圧を印加しておき、カソード電極とゲート電
極（５）間に徐々に電圧を印加していく。その結果、エ
ミッタ電極から電子が真空中に飛び出し、蛍光体表面に
衝突する。蛍光体表面では発光に伴うエネルギー準位の
変動が起きて、発光現象が現れる構造になっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】これらの構造において
現在の問題点を列記して以下に示す。（１）クロストークの発生エミッタからの電子の放射角は３０度または４５度とか
なり大きく、隣の画素に電子が入り込み、互いに干渉し
合い色ずれ等の問題が発生する。従って、エミッタ電極
とアノード電極の間隔を十分に小さくする必要がある。
しかし、そのためには高真空を維持するための構造上の
制限が生じる。また、印加電圧が高いことに起因する、
後述する蛍光体の脱落等の問題が発生する。そのため誘
電体隔壁や分割陽極などのパネル構造と駆動条件の改良
で解決しなければならない。

【０００９】（２）蛍光体の剥離ＦＥＤのパネルでは蛍光面の電界強度が大きく、ＣＲＴ
のようにメタルバックが使用できないので蛍光体の脱落
が起きる。その対策として蛍光体にガラスフリットを添
加し接着力を増す方法もあるが、これは発光効率の低下
を招く問題がある。

【００１０】（３）エミッタの再現性及び均一性ＦＥＤの課題の中で最も重要な位置を占めている問題点
にエミッタの放射電流が変動することと面内均一性に劣
ることの二つがある。一般的に電界電子放出現象を表す
ものにＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍの式が良く用い
られる。この式の中の電界集中因子はエミッタの電極形
状やエミッタ−ゲート間の距離等の幾何学的量に依存し
て決まるものである。即ち、エミッタ電極の先端半径を
小さく、エミッタ−ゲート間を近づける事がカソードの
動作電圧の低減に効果があると言われている。しかし、
平面ディスプレイの全面に数ミクロンのマイクロチップ
を再現性良く、更に均一に配置することは非常に難し
く、例えば、リソグラフィ工程の条件変動や装置調整の
具合によっては、チップ先端の先端部がなくなり、なく
なった中央部が陥没した形状になったりし、再現性がな
く、非常に加工が繊細で困難である。半導体のシリコン
ウェハー加工であれば、ここから１個づつ選択して取り
出すので問題はないが、ＦＥＤ素子に関しては１個でも
欠陥があれば、直ちに不良品につながる。

【００１１】（４）超高真空の維持電子は真空中が一番移動し易い性質を持っている。そこ
でＦＥＤは超高真空と言われる１０^-9Ｔｏｒｒ以下で使
われる。この超高真空をＦＥＤの寿命時間いっぱいに、
どんな外乱要因に遭遇しようとも維持する必要がある。
しかし、実際の製造工程において、この超高真空を得る
ためには、ゲッター材の選択、組み込み方法、蘇生方法
（高周波の照射方法）が難しく、また、ガラスの超高真
空溶着等ではピンホールの発生を避けがたく信頼性が劣
る。

【００１２】（５）低電圧駆動用蛍光体現在、一般的に使われている蛍光体は、ＺｎＯ：Ｚｎ系
であるが非常に発光効率が悪く、劣化が問題になってい
る。発光効率が悪いため、駆動電圧が高く、蛍光体印加
電圧４００〜５００Ｖｒｍｓ、ゲート駆動電圧１００〜
２００Ｖｒｍｓ、駆動周波数１００Ｈｚとした場合に
も、輝度が３００ｃｄ／ｍ²であるように、電圧が高く
なるのにかかわらず、その割には輝度が低いものであ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記のよう
に、従来のＦＥＤ素子が有する種々の問題点を解決する
ために、鋭意なされた研究であって、その発明の要旨と
するところは、（１）一方のガラス基板上には、カソー
ド電極、エミッタ電極、ゲート電極とで構成する電界放
出電極が形成され、他方のガラス基板上には、透明アノ
ード電極、蛍光体膜が形成され、当該２枚のガラス基板
が、双方の電極を内側として対面していることを特徴と
するフィールド・エミッション・デイスプレイ素子、で
あり又（２）電界放出電極を形成したガラス基板と、ア
ノード電極を形成したガラス基板とを電界放出電極とア
ノード電極とが対面するようにして対向させ、ガラス基
板の周囲を密封シールし、空間部を不活性ガスで充満し
たことを特徴とするフィールド・エミッション・ディス
プレイ素子、を内容とするものである。また、そのエミ
ッタ電極については、カソード電極上の全面に導電性を
付与したダイヤモンド薄膜〔１１１〕を２〜７μｍの厚
さに配置したことを特徴とするものである。

【００１４】これらのＦＥＤ素子の製造方法に関して
は、（３）一方のガラス基板上に、カソード電極、エミ
ッタ電極、ゲート電極とを形成し、他方のガラス基板上
に、透明アノード電極、蛍光体膜を形成した後に、当該
２枚のガラス基板を、双方の電極を内側として対面さ
せ、ガラス基板の周囲を接着剤又はガラスフリットによ
り、密封シールすることを特徴とするフィールド・エミ
ッション・デイスプレイ素子の製造方法、を要旨とする
ものである。以下に、本発明の具体的な構成を図面を参
照して説明する。

【００１５】本発明のＦＥＤ素子の構造を図１に示し、
以下この構造の概略説明と課題に対する解決手段を示
す。図１では、ＦＥＤ素子の数単位を模式的に表現して
いるが、実用的な装置では、この様な単位素子が、数万
以上の数で平面的に配設されていることは容易に想像で
きる。

【００１６】本発明では、２．０ｍｍ厚の無アルカリガ
ラス基板２枚（１ａ，１ｂ）を使用し、チップガラス基
板（１ａ）上にカソード電極（２）等を加工し、表示ガ
ラス基板（１ｂ）上には透明アノード電極（７）等を形
成した後、専用のガラス接着剤（９ａ）で、２枚のガラ
ス基板の周囲をサンドイッチ状に密封シールした構造を
採用したものである。

【００１７】チップを形成する一方のガラス基板（１
ａ）の上に、カソード電極（２）としてチタン金属を成
膜し、更に高周波プラズマＣＶＤ装置でダイヤモンド薄
膜をカソード電極上に成膜し、エミッタ電極（３）とし
た。その上にリソグラフィ技術と薄膜成膜技術を使っ
て、絶縁層（４）にＳｉＯ₂、ゲート電極（５）にモリ
ブデン金属、スペーサ層（６）にＳｉＯ₂を順次成膜す
る。更にスペーサ層と接触して蛍光体層（８）、アノー
ド電極に相当する透明電極（７）、最後にガラス基板
（１ｂ）で構成する構造である。以下、これらの構成と
した本発明のＦＥＤ素子について更に詳述する。

【００１８】（１）クロストークの発生従来のＦＥＤでは、高真空を支える構造になっているの
で、エミッタと蛍光体層間の距離が増大し、エミッタか
ら放射される電子の放射角が大きくなって、画素の色ず
れが発生してくる問題があった。この問題は、エミッタ
電極と蛍光体層の間をスペーサを介して接触させた構造
とすることで解決を図ることができる。この接触した構
造の形成には、塩素分を含まず、また硬化時にガスを発
生しない接着剤で、２枚のガラスの周囲を接着して密封
シールする方法や、他の手段としてガラス基板の周辺の
接触部に低融点ガラスフリットを塗布し部分溶着で接着
する方法がある。

【００１９】この様な構造を採用することにより、従来
のＦＥＤでは、エミッタと蛍光体層間が数ｍｍであった
ものが、本実施例では約１０μｍ以下になり、更に隔壁
効果が大きくなり、発光効率の向上及び色ずれ等の問題
が解決されることとなった。なお、隔壁間ピッチは０．
２ｍｍ、隔壁の厚さは０．０５ｍｍとした。また、従来
のＦＥＤでは、超高真空であったが、本発明品は、不活
性ガス（１０）を封入した構造で、真空としない構成を
とっている。

【００２０】（２）蛍光体の剥離エミッタと蛍光体層の距離が非常に接近した構造になっ
ており、更にスペーサー層と蛍光体層面が接触している
ので電界集中による蛍光体の剥離現象は機械的に十分防
止可能となる。また、その時の電界強度は変わらない
が、蛍光体電圧を２００Ｖｒｍｓ以下、ゲート駆動電圧
を７０Ｖｒｍｓ以下と低く設定できる。以上より蛍光体
の剥離が十分防止できる。

【００２１】（３）エミッタの再現性及び均一性従来のエミッタは半導体リソグラフィの微細加工技術を
使って、円錐状の先端が尖ったコーンと称するものを、
例えば、単位面積当たり約１５０００個も配列したもの
が必要とされた。この時の管理項目は、チップ先端形状
の先端半径（曲率半径）を管理することである。これが
バラツクと電界強度が変化して発光が不均一となるとと
もに、画素の不点灯等の問題が発生してくる。この結
果、ディスプレイとしては使用不適となる。

【００２２】そのため、半導体リソグラフィの微細加工
技術を使わずに先端形状の加工及び管理が出来るものと
してダイヤモンド薄膜（ダイヤモンドライクカーボン）
があり、本発明はこの薄膜を採用することとした。この
膜の性質は電気伝導度、硬度、可視紫外光透過性、耐薬
品性等においてダイヤモンドに類似の特徴を持ってお
り、応用範囲の広い薄膜である。

【００２３】このダンヤモンド薄膜は、高周波プラズマ
ＣＶＤ法を用いて成膜することにより、結晶粒先端の先
鋭性に優れた斜方面体結晶系で〔１１１〕の配向性を持
つ結晶粒の薄膜として成膜出来る。その結晶粒の大きさ
は平均粒径が約１〜１０μｍである。成膜条件を十分制
御してダイヤモンド薄膜を成膜すると結晶の平均粒径は
２〜７μｍの厚さでカソード電極上に配置され、十分に
求める性能を引き出すことが出来る。

【００２４】形成されたダイヤモンド薄膜は、先鋭性に
優れた斜方面体結晶系で〔１１１〕の配向性を持ち、先
の尖ったダイヤモンド薄膜が基板上に整列する。この薄
膜に電圧を印加することにより、先端から電子が飛び出
す。２極構造は電圧が高く、３極構造はゲート電極で電
子を引っぱり出す働きがあるので、２極構造よりも低い
電圧で動作する。

【００２５】この構造のＦＥＤ素子は、生産性に優れて
おり、従来のＦＥＤ素子で問題とされたコーンの再現性
及び均一性の問題は全て解消されている。更に、本来ダ
イヤモンド薄膜は抵抗が高いので低抵抗化する必要があ
る。そのため、このダイヤモンド薄膜の表面をＨ₂プラ
ズマ処理を施すことにより、表面にＨ₂を吸着させて、
導電性を持たせることによりＦＥＤ素子の発光開始電圧
の低下に寄与させることができる。

【００２６】以上のようなエミッタ材を使用したＦＥＤ
素子の輝度−ゲート駆動電圧特性を図２に示す。蛍光体
電圧を２００Ｖｒｍｓ（一定）、ゲート駆動電圧約９０
Ｖｒｍｓで、３００ｃｄ／ｍ²の輝度を示し、その後は
ゲート電圧の上昇と共に飽和傾向にある。この様な特性
を示すのは、エミッタを真空中で動作させずに不活性ガ
ス中で動かしているのでエミッタの効率が少し低下して
いるために３００ｃｄ／ｍ²位で飽和傾向を示すものと
思われる。しかし、これだけの性能が出ていれば、実用
化は十分可能である。明るさは最低７０ｃｄ／ｍ²あれ
ば、日中は十分な輝度であり、夜間は明るすぎて細かい
文字は滲んで判読できない程になる。

【００２７】（４）超高真空の維持ＦＥＤ素子は発光効率から考えて超高真空中（１０^-9Ｔ
ｏｒｒ以下）で使われることが常識である。しかし、長
期間にわたって、この超高真空状態を維持することは技
術的に非常な困難な問題がある。そこで、ＦＥＤの初期
の放射電流特性を調べると電圧印加後の数時間は不安定
であるがそれを過ぎると安定する。この様な初期の不安
定性はエミッタ先端における残留ガスの脱吸着現象に起
因していると思われる。そこで、封止した容器の中でど
んなガスが安定性に悪影響を与えるかを調べる目的で質
量分析を行い、その結果、Ｈ₂，Ｈ₂Ｏ，ＣＯ，ＣＯ₂
等の存在が確認されている。

【００２８】依って、不活性ガス中で、予め、電圧印加
をし、放射電流が安定するまで印加しつづけて、その後
不活性ガスの雰囲気中でガラス基板の封止を行えば、Ｆ
ＥＤ本体は真空構造と同レベル以上の長期にわたって安
定状態が続く。

【００２９】この時の不活性ガスの種類は同じ封止条件
で比較した結果、Ｎ₂，Ａｒ，Ｈｅの中でＡｒが、輝度
の低下率が最も低く最適であった。Ａｒは、更に点灯し
た際に、発光ピークが紫外領域（約３００ｎｍ）にある
ため、可視域では透明であり純粋なカラー発光が得られ
るという利点がある。これらの不活性ガスを使用した場
合、不純物としての最大の外敵は水分である。水分が多
いと蛍光体の急速劣化につながる。従って、不純物を数
ｐｐｍとし、とくに水分は０．１ｐｐｍ以下のガスを使
用することが望ましい。実施例における、封止雰囲気ガ
スによる影響を、図３に示す。図３は、通電時間による
輝度の低下率を、アルゴン、ヘリウム、窒素の各雰囲気
ガスについて測定したもので、アルゴンガスの輝度低下
が最も低かった。なお、この場合の測定条件は、蛍光体
電圧：２００Ｖｒｍｓ、ゲート電圧：７０Ｖｒｍｓ、駆
動周波数：１００Ｈｚによるものである。

【００３０】（５）低電圧駆動用蛍光体現在一般的に使われているＺｎＯ：Ｚｎは発光効率が悪
く、劣化が問題になっている。発光効率が悪いため、印
加電圧が高いのが欠点である。これに対して亜鉛ガレー
ト蛍光体（ＺｎＧａ₂Ｏ₄：Ｍｎ）を用いる事により発
光効率の良い、発光開始電圧の低いＦＥＤ素子が得られ
る。

【００３１】蛍光体の処理方法は出発材料をＺｎＯとＧ
ａ₂Ｏ₃とし、１０００℃以上で熱処理を行い、その後
Ｍｎをドープして、再度１０００℃以上で熱処理（還元
雰囲気）して造った。Ｍｎのドープ量は０．００１〜
０．１００原子／モルの範囲で緑色の発光が得られた
が、実用的な範囲では０．００５〜０．０５０原子／モ
ルが最適である。ドープ量０．００１原子／モル以下で
はドープ量が少なすぎて、発光センターが形成されない
と思われる。０．１００原子／モル以上では発光センタ
ーの形成が飽和傾向にあるため、ドープ効果が顕著に現
れないものと思われる。図２のグラフに示すサンプルの
Ｍｎのドープ量は０．０１原子／モルである。結果は、
蛍光体電圧２００Ｖｒｍｓ、ゲート電圧９０Ｖｒｍｓで
３００ｃｄ／ｍ²を示す。

【００３２】

【実施例】代表的な実施工程は、チップガラス基板上に
カソード電極等を加工し、表示ガラス基板上には透明ア
ノード電極等を形成し、その後、両者を重ね合わせて接
着又は溶着しパネル化する。以下、その工程の詳細を図
４の製作工程のフローチャートに従って述べる。

【００３３】（１）チップガラス基板受け入れ基板受け入れ仕様書に沿って板厚２．０ｍｍの無アルカ
リガラス基板を受け入れる。

【００３４】（２）基板洗浄市販の洗浄剤に５％の沈降性炭酸カルシウムを加えて、
物理洗浄を行い、その後煮沸洗浄、有機溶剤洗浄を繰り
返し、最後にＮ₂ブローを行い終了とする。

【００３５】（３）カソード電極形成電極材としては、Ｔｉ金属を使った。この理由は高温領
域で他の金属（Ｍｏ，Ｃｒ）よりも優れた接触抵抗値を
示す事が分かっているためである。また、ＴＥＭ観察に
おいて、Ｔｉは界面に結晶質の炭化物が生成し、Ｍｏ,
Ｃｒはアモルファスの炭化物が生成している。従って、
高温での安定性に優れていると判断されたためＴｉを使
用している。成膜方法は所定のマスクを使って、ターゲ
ット材にＴｉ金属を用い、直流スパッタ法でスパッタガ
スにＡｒを用い、ガス圧３×１０^-3Ｔｏｒｒで５００ｎ
ｍの膜厚を成膜した。

【００３６】（４）エミッタ電極形成カソード電極上にダイヤモンド薄膜を形成することに関
して、ヘテロ基板の場合はダイヤモンド薄膜に不純物や
非ダイヤモンド成分等が入り込み成膜が困難である。そ
こで、予めダイヤモンド薄膜形成のための核になる位置
を制御しておくため、ダイヤモンド粉末（φ約５ｎｍ）
で基板表面を擦り、傷を付けておく。その後、高周波プ
ラズマＣＶＤ装置を用いてダイヤモンド薄膜のヘテロ成
長を行った。その時の条件は原料ガスにＣＨ₄とＨ₂Ｏ
の混合ガスを用い、全流量が５０〜１００ｍｌ／ｍｉｎ
になるようにし、ＣＨ₄の濃度は２０〜４０％の間で成
膜した。その他の条件は高周波出力：３００Ｗ、基板温
度：２００℃、全ガス圧：２０Ｐａ、膜成長時間：５Ｈ
を要した。その時の膜厚は７μｍであった。膜質の検査
には、ラマン分光、ｘｐｓ、赤外分光等を使って、ダイ
ヤモンド薄膜であることを確認した。

【００３７】（５）プラズマ処理所定の装置の中で水素プラズマ処理を行った。この目的
は水素処理を行うと抵抗が小さくなるとともに、表面が
疎水性に変わることである。参考までに酸素プラズマ処
理の場合は、抵抗が大きくなり表面が逆に親水性に変わ
る。ダイヤモンド薄膜は抵抗が高いので水素プラズマ処
理を行い、エミッタ材としての特性を出現させ、更に低
電圧からの電子放射がおきて、エミッタ電流が増加す
る。水素プラズマ処理の条件は、水素流量：８０ｍｌ／
ｍｉｎで、高周波出力：１００Ｗで１０〜２０ｍｉｎで
行った。

【００３８】（６）絶縁層形成この層は本発明の素子において、エミッタ電極とゲート
電極の短絡を防止するために、両者の間に、ＳｉＯ₂の
絶縁層を挿入することを目的として設けられる。ＳｉＯ
₂の成膜は高周波スパッタ法を使って、所定のターゲッ
ト材でスパッタガスにＡｒ、スパッタガス圧：５×１０
^-3Ｔｏｒｒ、スパッタ電力：１ｋｗで行った。膜厚は３
００ｎｍであった。その後、所定寸法のマスクを使って
半導体のリソグラフィ技術でエッチングを行う。エッチ
ング条件はレジスト塗布後、市販の５０％フッ化水素酸
（１：１）を薄めて、室温：３ｍｉｎ、その後水洗：１
０〜１５ｍｉｎ行う。最後に、レジスト膜の剥離、乾燥
を行う。

【００３９】（７）ゲート電極形成電極材には、加工やエッチングが容易なＭｏ金属を使っ
た。成膜方法はカソード電極形成と同じく直流スパッタ
法を用いて、スパッタガスにＡｒ、ガス圧３×１０^-3Ｔ
ｏｒｒで１μｍの膜厚を成膜した。その後、所定寸法の
マスクを使って半導体のリソグラフィ技術でエッチング
を行った。エッチング条件はレジスト塗布後、Ｈ₃ＰＯ
₄／ＣＨ₃ＣＯＯＨ／ＨＮＯ₃／Ｈ₂Ｏ＝５０／２５／
１／１０のエッチング液に２〜３ｍｉｎ浸漬し、１０〜
１５ｍｉｎの水洗を行った。最後に、レジストの剥離及
び乾燥を行った。その結果、積層方向の端面が露出した
形状の電極が形成された。また、ゲート電極の厚さは、
０．５μｍ〜３．０μｍとすることが電界放出の制御の
ために適切であった。

【００４０】（８）スペーサ層成膜この層はゲート電極と蛍光体層の絶縁と表示画素隔壁の
役目を目的にして設けられているＳｉＯ₂のスペーサー
層である。成膜方法は高周波スパッタ法を使って、所定
のターゲット材でスパッタガス圧：５×１０^-3Ｔｏｒｒ
でスパッタガス：Ａｒを使い、スパッタ電力：１ｋｗで
行った。膜厚は５００ｎｍであった。エッチング条件は
絶縁層のＳｉＯ₂と同一条件とした。

【００４１】（９）電極端子形成ＦＰＣフィルムとの接続を容易にするため、チップガラ
ス基板上の端面周辺部に、Ｃｒ金属膜をスパッタリング
し、リソグラフィ技術で所定寸法の電極を形成した。膜
厚は１００ｎｍとした。

【００４２】（１０）エージング処理チップガラス基板をエージング装置内にセットし、不活
性ガス雰囲気中でエージングを行う。これはエミッタの
先端に吸着しているガスを脱着する目的である。その時
の条件はＡｒ流量：３ｌ／ｍｉｎ、Ｖ_G：ＡＣ１００Ｖ
ｒｍｓ、Ｖ_A：ＡＣ２００Ｖｒｍｓ、駆動周波数：１０
０Ｈｚ、所要時間：１０から１５Ｈ

【００４３】（１１）接着剤塗布塩素分を含まず、硬化時にガスを発生しない接着剤（商
品名：ステイステック、テクノアルファ株式会社製）を
用いて、不活性ガス雰囲気中でチップガラス基板上に、
ディスペンサーを使って塗布する。その時の条件は先端
径：φ１．０ｍｍ、吐出圧：１ｋｇ／ｃｍ²でおこな
う。低融点ガラスフリット（商品名ＬＳ−３０８１、日
本電気硝子株式会社製）を使用する場合は、３〜７％α
−ターピネオールでペースト化してディスペンサーで塗
布する。

【００４４】（１２）表示ガラス基板受け入れ基板受け入れ仕様書に沿って板厚２．０ｍｍの無アルカ
リガラス基板を受け入れる。

【００４５】（１３）基板洗浄（２）の基板洗浄と同じ。

【００４６】（１４）透明電極形成ガラス基板の上に透明電極としての酸化インジウムと酸
化錫の膜をスパッタ法で成膜する。ターゲット材はＩｎ
₂Ｏ₃（９５％）＋ＳｎＯ₂（５％）とし、基板温度：
２００℃、スパッタガス：Ａｒ、ガス圧：２×１０^-3Ｔ
ｏｒｒで膜厚を２００ｎｍとする。その後、所定寸法の
マスクを使って半導体のリソグラフィ技術でエッチング
を行う。エッチング条件はレジスト塗布後、エッチング
液としてＨＣｌ／ＦｅＣｌ₃／Ｈ₂Ｏ＝２５／５／２０
を使用し、温度：４２℃、時間：５．０ｍｉｎのエッチ
ングを行った。その後、水洗を１０ｍｉｎ行う。最後に
レジスト膜の剥離及び乾燥を行った。

【００４７】（１５）蛍光体膜成膜亜鉛ガレート（ＺｎＧａ₂Ｏ₄：Ｍｎ）で、Ｍｎ添加量
０．０１原子／モルのターゲットを使ってスパッタ法で
成膜した。その時の主な条件は基板温度：室温、スパッ
タガス：Ａｒ、ガス圧：３×１０^-3Ｔｏｒｒ、スパッタ
電力：７００Ｗである。膜厚は２００ｎｍであった。そ
の後、所定寸法のマスクを使って半導体のリソグラフィ
技術でエッチングを行う。エッチング条件はレジスト塗
布後、エッチング液としてＨ₃ＰＯ₄／ＨＮＯ₃／ＣＨ
₃ＣＯＯＨ／Ｈ₂Ｏ＝３０／１５／１５／５を使用し、
温度：５０℃、時間：１８ｓｅｃ、その後水洗１０ｍｉ
ｎ行う。最後にレジスト膜の剥離及び乾燥を行った。

【００４８】（１６）電極端子形成ＦＰＣフィルムとの接続を容易にするため、表示ガラス
基板上の端面周辺部に、Ｃｒ金属膜をスパッタリング
し、リソグラフィ技術で所定寸法の電極を形成する。膜
厚は１００ｎｍである。

【００４９】（１７）重ね合わせ接着剤が塗布されたチップガラス基板上に表示ガラス基
板を重ね合わせ機により、不活性ガス雰囲気中で、互い
の基板の位置マークを合わせる。

【００５０】（１８）熱圧着重ね合わせた基板を真空加熱圧着する。その条件は、温
度：１５５℃、真空度：１×１０^-2Ｔｏｒｒ、圧着時
間：１０から２０ｍｉｎとする。ガラスフリット材の場
合は、３００，４００℃の２段焼成を常圧、大気中で行
う。

【００５１】（１９）硬化処理（１）不活性ガス雰囲気オーブンにより接着剤を完全硬化させ
る。温度：１５０〜１６０℃、時間：２．０Ｈ。

【００５２】（２０）ガスだしセルの中の不純物ガスを真空装置を使って排気する。そ
の時の条件は、温度：１５０〜１６０℃、時間：２．０
Ｈ、真空度：１×１０^-7Ｔｏｒｒ、所定時間終了後、Ａ
ｒガスで真空装置内をパージする。ガラスフリットの場
合、Ａｒ中で４００℃、１０〜１５ｍｉｎの封着を行
う。

【００５３】（２１）封止ガスだし後、すばやく封止孔を接着剤で塞ぐ。

【００５４】（２２）硬化処理（２）封止孔を塞いだ接着剤を完全硬化させる。条件は、温度
１００〜１２０℃、時間２０ｍｉｎとした。

【００５５】（２３）ＦＰＣ接続異方性導電フィルムを使って各々のガラス基板にＦＰＣ
を接続する。その条件は異方性導電フィルム（商品名：
異方性導電フィルム型式ｃｐ４１３１、ソニー株式会社
製）、２段圧着１次圧力：４〜７ｋｇ／ｃｍ²、温
度：８０℃、時間：３ｓｅｃ、２次圧力：３０〜５０
ｋｇ／ｃｍ2 、温度：１５０℃、時間：３０ｓｅｃとし
た。

【００５６】（２４）性能評価駆動電源装置（型式ＰＡＤ５００−２Ｌ、菊水電子工業
製）と輝度計（型式ＢＭ−５、（株）トプコン製）を使
って各駆動電圧における輝度の変化を測定した。この結
果は、図２に示されるとおりである。なお、試作装置の
表示部の大きさは１０ｃｍ×１０ｃｍのサイズである。

【００５７】（２５）駆動回路接続信号系以外の回路部を接続させる。

【００５８】（２６）外装組み込みパネルと駆動回路をケースの中に組み込む。

【００５９】

【発明の効果】以上、説明した通り、本発明はガラス基
板上にＦＥＤ素子を構成するとともに、ＦＥＤ素子の空
間部に不活性ガスを充填した今までにない新規な構造を
採用したものである。また、エミッタ材料にダイヤモン
ド薄膜を使用するとともに蛍光体に亜鉛ガレートを使用
し、新規な構成材料等で成り立っている。そのため、従
来のＦＥＤ素子にない発光特性と輝度低下のない特性を
具備させることが可能となった。さらに、エミッタ電極
と蛍光体層の間をスペーサを介して接触した構造とし、
エミッタと蛍光体層間の距離の近接を図ったので、画素
の色ずれを防止することが可能となった。

【００６０】更に、当該ＦＥＤ素子の製造に際しては、
従来のようにシリコンウエハー上に素子を形成する必要
がなく、直接、ガラス基板上に形成できることの他、基
板間の密封シールも容易であり、生産性、生産コスト等
の面でも優れている。本発明において、この様に独創的
なＦＥＤ素子が提供され、今後の利用技術の発展に大き
く貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＦＥＤ素子の断面構造を示す図であ
る。

【図２】本発明のＦＥＤ素子の輝度とゲート駆動電圧と
の関係を示す図である。

【図３】本発明のＦＥＤ素子における封止雰囲気ガスの
影響を示す図。

【図４】本発明のＦＥＤ素子パネルの製作工程を示すフ
ローチャート。

【図５】従来の一般的なＦＥＤ素子の断面構造を示す図
である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂガラス基板１ｃガラスカバー２カソード電極３エミッタ電極４絶縁層５ゲート電極６スペーサ層７透明アノード電極８蛍光体９ａガラス接着剤９ｂガラスフリット１０不活性ガス１１シリコンウエハー

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成８年４月３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】追加

【補正内容】

【発明の名称】フィールド・エミッション・
ディスプレイ素子及びその製造方法

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｊ 29/94 Ｈ０１Ｊ 29/94

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方のガラス基板上には、カソード電極、
エミッタ電極、ゲート電極とで構成する電界放出電極が
形成され、他方のガラス基板上には、透明アノード電
極、蛍光体膜が形成され、当該２枚のガラス基板が、双
方の電極を内側として対面していることを特徴とするフ
ィールド・エミッション・ディスプレイ素子。
【請求項２】電界放出電極を形成したガラス基板と、ア
ノード電極を形成したガラス基板とを電界放出電極とア
ノード電極とが対面するようにして対向させ、ガラス基
板の周囲を密封シールし、空間部を不活性ガスで充満し
たことを特徴とするフィールド・エミッション・ディス
プレイ素子。
【請求項３】エミッタ電極は、カソード電極上の全面に
導電性を付与し、〔１１１〕の配向性をもつダイヤモン
ド薄膜を２〜７μｍの厚さに配置したことを特徴とする
請求項１記載のフィールド・エミッション・ディスプレ
イ素子。
【請求項４】〔１１１〕の配向性をもつダイヤモンド薄
膜は、水素プラズマで処理が施されていることを特徴と
する請求項３記載のフィールド・エミッション・ディス
プレイ素子。
【請求項５】密封シールが接着剤又は低融点ガラスシー
ル材でシールされていることを特徴とする請求項２記載
のフィールド・エミッション・ディスプレイ素子。
【請求項６】ゲート電極とアノード電極上の蛍光体間に
スペーサ層を設けたことを特徴とする請求項１記載のフ
ィールド・エミッション・ディスプレイ素子。
【請求項７】ゲート電極の形状は積層方向の端面が露出
しており、その膜厚は０．５μｍ〜３．０μｍであるこ
とを特徴とする請求項１記載のフィールド・エミッショ
ン・ディスプレイ素子。
【請求項８】蛍光体は亜鉛ガレートのＺｎＧａ₂Ｏ₄：
Ｍｎを用い、Ｍｎの濃度は０．００５原子／モル〜０．
０５０原子／モルであることを特徴とする請求項１記載
のフィールド・エミッション・ディスプレイ素子。
【請求項９】不活性ガスがアルゴンであることを特徴と
する請求項２記載のフィールド・エミッション・ディス
プレイ素子。
【請求項１０】一方のガラス基板上に、カソード電極、
エミッタ電極、ゲート電極とを形成し、他方のガラス基
板上に、透明アノード電極、蛍光体膜を形成した後に、
当該２枚のガラス基板を、双方の電極を内側として対面
させ、ガラス基板の周囲を接着剤又はガラスフリットに
より、密封シールすることを特徴とするフィールド・エ
ミッション・ディスプレイ素子の製造方法。
【請求項１１】密封シールを不活性ガス雰囲気中で行う
ことを特徴とする請求項１０記載のフィールド・エミッ
ション・ディスプレイ素子の製造方法。