冷陰極電界電子放出素子及びその製造方法、並びに、冷陰極電界電子放出表示装置
【課題】電子放出層から放出された電子の軌道の収束性に優れ、しかも、製造が比較的容易なエッジ型の冷陰極電界電子放出素子を提供する。
【解決手段】電子放出層１３と、絶縁層１４と、ゲート電極層１５とが、この順に支持体１０上に積層され、ゲート電極層１５から支持体１０の表面に達する開口部１６が設けられ、開口部１６は、ゲート電極層１５に設けられた第１開口部１５Ａと、絶縁層１４に設けられた第２開口部１４Ａと、電子放出層１３に設けられた第３開口部１３Ａとから成り、第１開口部１５Ａと第２開口部１４Ａと第３開口部１３Ａとは連通しており、電子が放出される第３開口部１３Ａの開口端部の厚さは先端部に向かって減少し、且つ、第３開口部１３Ａの開口端部の下縁は上縁よりも後退している。
【解決手段】電子放出層１３と、絶縁層１４と、ゲート電極層１５とが、この順に支持体１０上に積層され、ゲート電極層１５から支持体１０の表面に達する開口部１６が設けられ、開口部１６は、ゲート電極層１５に設けられた第１開口部１５Ａと、絶縁層１４に設けられた第２開口部１４Ａと、電子放出層１３に設けられた第３開口部１３Ａとから成り、第１開口部１５Ａと第２開口部１４Ａと第３開口部１３Ａとは連通しており、電子が放出される第３開口部１３Ａの開口端部の厚さは先端部に向かって減少し、且つ、第３開口部１３Ａの開口端部の下縁は上縁よりも後退している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出効率に優れた冷陰極電界電子放出素子及びその製造方法、並びに、かかる冷陰極電界電子放出素子が組み込まれた冷陰極電界電子放出表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在主流の陰極線管（ＣＲＴ）に代わる画像表示装置として、平面型（フラットパネル形式）の表示装置が種々検討されている。このような平面型の表示装置として、液晶表示装置（ＬＣＤ）、エレクトロルミネッセンス表示装置（ＥＬＤ）、プラズマ表示装置（ＰＤＰ）を例示することができる。また、熱的励起によらず固体から真空中に電子を放出することが可能な冷陰極電界電子放出表示装置、所謂フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）も提案されており、画面の明るさ及び低消費電力の観点から注目を集めている。
【０００３】
冷陰極電界電子放出表示装置（以下、単に、表示装置と称する場合がある）は、一般に、２次元マトリクス状に配列された各画素に対応して電子放出領域を有するカソードパネルと、この電子放出領域から放出された電子との衝突により励起されて発光する蛍光体層を有するアノードパネルとが、真空層を介して対向配置された構成を有する。カソードパネル上の各電子放出領域においては、例えば、複数の電子放出部が形成され、更に、電子放出部から電子を引き出すためのゲート電極層も形成されている。この電子放出部とゲート電極層を有する部分が冷陰極電界電子放出素子であり、以下、単に電界放出素子と称することがある。
【０００４】
かかる表示装置の構成において、低い駆動電圧で大きな放出電子電流を得るためには、例えば、電界放出素子の電子放出部の先端形状を鋭く尖らせた形状とすること、個々の電子放出部を微細化して、１画素に対応する区画内における電子放出部の存在密度を高めること、電子放出部の先端とゲート電極層との距離を短縮することが必要である。従って、これらを実現するために、従来より様々な構成を有する電界放出素子が提案されている。
【０００５】
かかる従来の電界放出素子の代表例の１つとして、電子放出部を円錐形の導電体から成る電子放出電極で構成した、所謂スピント（Ｓｐｉｎｄｔ）型電界放出素子（以下、スピント型素子と称する）が知られている。このスピント型素子を組み込んだ表示装置の概念図を、図２１に示す。この表示装置のカソードパネルは、絶縁基板４０上に形成されたカソード電極４１と、カソード電極上を含む絶縁基板４０上に形成された層間絶縁層４２と、層間絶縁層４２上に形成されたゲート電極層４４と、ゲート電極層４４及び層間絶縁層４２に設けられた開口部４３内に形成された円錐形の電子放出電極４５から構成されている。通常、電子放出電極４５が所定数集まって１つの電子放出領域が形成され、この電子放出領域が、２次元マトリクス状に配列された画素の１つに対応する。一方、アノードパネルは、基板５０上に所定のパターンにより蛍光体層５２が形成され、この蛍光体層５２がアノード電極５１で覆われた構造を有する。
【０００６】
電子放出電極４５とゲート電極層４４との間に電圧を印加すると、その結果生じた電界によって電子放出電極４５の先端から電子が引き出される。この電子は、アノードパネルのアノード電極５１に引き付けられ、アノード電極５１と基板５０との間に形成された発光体層である蛍光体層５２に衝突する。この結果、蛍光体層５２が励起されて発光し、所望の画像を得ることができる。この冷陰極電界電子放出素子の動作は、基本的にゲート電極層４４に印加される電圧によって制御される。
【０００７】
かかるスピント型素子の製造方法の概要を、以下、図２２及び図２３を参照して説明する。この製造方法は、基本的には、円錐形の電子放出電極４５を金属材料の垂直蒸着により形成する方法である。即ち、開口部４３に対して蒸着粒子は垂直に入射するが、開口端部付近に形成されるオーバーハング状の堆積物による遮蔽効果を利用して、開口部４３の底部に到達する蒸着粒子の量を漸減させ、円錐形の堆積物である電子放出電極４５を自己整合的に形成する。ここでは、不要なオーバーハング状の堆積物の除去を容易とするために、ゲート電極層４４上に剥離層４６を予め形成しておく方法について説明する。尚、以下の説明中、任意のプロセスが終了した段階における絶縁基板とその上に形成されたあらゆる構造物を、「基体」と総称することがある。
【０００８】
［工程−１０］
先ず、図２２の（Ａ）に示すように、例えばガラス基板から成る絶縁基板４０の上にニオブ（Ｎｂ）から成るカソード電極４１を形成した後、その上にＳｉＯ2から成る層間絶縁層４２、導電材料から成るゲート電極層４４を順次製膜し、次に、このゲート電極層４４と層間絶縁層４２をパターニングすることにより開口部４３を形成する。
【０００９】
［工程−２０］
次に、図２２の（Ｂ）に示すように、基体に対してアルミニウムを斜め蒸着することにより、剥離層４６を形成する。このとき、基体の法線に対する蒸着粒子の入射角を十分に大きく選択することにより、開口部４３の底部にアルミニウムを殆ど堆積させることなく、ゲート電極層４４の上に剥離層４６を形成することができる。この剥離層４６は、開口部４３の開口端部から庇状に張り出しており、これにより開口部４３が実質的に縮径される。
【００１０】
［工程−３０］
次に、この基体の全面に例えばモリブデン（Ｍｏ）を垂直蒸着する。このとき、図２３の（Ａ）に示すように、剥離層４６上でオーバーハング形状を有する金属層４５Ａが成長するに伴い、開口部４３の実質的な直径が次第に縮小されるので、開口部４３の底部において堆積に寄与する蒸着粒子は、次第に開口部４３の中央付近を通過するものに限られるようになる。この結果、開口部４３の底部には円錐形の堆積物が形成され、この円錐形の堆積物が電子放出電極４５となる。
【００１１】
［工程−４０］
その後、図２３の（Ｂ）に示すように、電気化学的プロセス及び湿式プロセスによって剥離層４６をゲート電極層４４の表面から剥離し、ゲート電極層４４の上方の金属層４５Ａを選択的に除去する。
【００１２】
ところで、図２３の（Ｂ）に示した構造を有する電界放出素子の電子放出特性は、開口部４３の上端部を成すゲート電極層４４の縁部４３Ａから電子放出電極４５の先端までの距離に大きく依存する。そして、この距離は、開口部４３の形状の加工精度や直径の寸法精度、［工程−３０］において製膜される金属層４５Ａの膜厚精度、更にはその下地となる剥離層４６の形状精度に大きく依存する。
【００１３】
しかしながら、実際に大面積の基体の全体に亙って均一な膜厚を有する金属層４５Ａを垂直蒸着により形成したり、均一な寸法の庇形状を有する剥離層４６を斜め蒸着により形成することは、極めて困難であり、或る程度の面内ばらつきやロット間ばらつきは避けられない。このばらつきにより、表示装置の画像表示特性、例えば画像の明るさにばらつきが生じる。しかも、大型の蒸着装置が必要とされること、スループットが低下すること、大面積に亙って形成された剥離層４６を除去する際に、その残渣がカソードパネル汚染の原因となり、表示装置の製造歩留まりを低下させること、といった問題もある。
【００１４】
一方、スピント型素子のこれらの欠点を解消し得る電界放出素子として、所謂エッジ型電界放出素子（以下、エッジ型素子と称する）が知られている。これは、スピント型素子における円錐形の電子放出電極の代わりに、絶縁基板に平行な面内に形成された電子放出層を絶縁層を介してゲート電極層と積層し、この積層体に開口部を設け、この開口部の壁面に露出した電子放出層の先端部（エッジ）を何らかの方法で壁面から突出させ、電子放出部として利用するタイプの素子である。
【００１５】
例えば、米国特許第５２１４３４７号公報には、電子放出層の上下を絶縁層を介した一対のゲート電極層で挟み、電子放出層に強い電界を与えることが可能な構造が開示されている。即ち、図２４に示すように、絶縁基板６０上に導電層６１、第１絶縁層６２、下部ゲート電極層６３、第２絶縁層６４、電子放出層６５、第３絶縁層６６、及び上部ゲート電極層６７を順次積層した積層体に、開口部６８が設けられている。そして、開口部６８の壁面から突出した電子放出層６５の先端部から放出された電子ｅが、開口部６８の外部へ導出される。電子放出層６５の先端部は、等方性エッチングで膜厚を減ずることにより曲率半径が減少され、これにより電子放出密度が高められている。尚、これらの上部ゲート電極層６７、電子放出層６５、下部ゲート電極層６３に対面配置されている導電膜６９は、電子放出層６５から放出された電子を引き付けるための電極を構成し、また、開口部６８の底部に露出している導電層６１は、表面保護、電位の安定化、絶縁破壊やノイズの防止を目的として設けられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
エッジ型素子では、ゲート電極層の縁部から電子放出層までの距離は絶縁層の厚さでほぼ決定することができるため、この距離の制御はスピント型素子に比べて遥かに容易であり、この意味において、スピント型素子の欠点はかなり解消されている。従って、大面積の基体上でも電子放出部の電子放出特性を均一化することが容易となり、表示装置の画像の明るさも均一化され得る。しかし、電子放出部の形状が、スピント型素子におけるような先鋭な「点」ではなく「線」である上、かかる電子放出部の形状に付随してゲート電極層がスピント型素子の場合よりも大きく開口しているため、開口部の内部における電界の閉じ込め効果が弱くなり、電子放出部の近傍において電界集中が生じ難い。換言すれば、エッジ型素子はスピント型素子と比較して電子放出効率が低く、スピント型素子と同等の放出電子電流を得るためにはより高いゲート電圧を要するので、駆動電圧の低減、ひいては消費電力の低減が困難である。
【００１７】
また、電子放出電極の先端がアノード電極の方向に向かって先鋭化され、放出された電子がアノード電極へ向かってほぼ直進できるスピント型素子とは異なり、エッジ型素子の電子放出部は開口部の側壁から突出しているために、放出された電子の一部は電子放出層の面内よりも下方、即ち、アノード電極とは反対方向へも進行し得る。このように下方へ進行した電子が開口部内で何らかの障害物に衝突すると、自らが反跳電子となったり、あるいは、障害物の表面から２次電子が叩き出される。これら反跳電子や２次電子も、アノード電極に引き付けられて蛍光体層に衝突すれば、最終的に発光に寄与することができる。しかし、反跳電子や２次電子のエネルギー分布幅は、電子放出電極の先端から放出されて直接にアノード電極へ向かって進行した電子のエネルギー分布幅に比べて広いため、冷陰極電界電子放出素子の構造によっては、所定の蛍光体層に衝突するように反跳電子や２次電子の軌道を制御することが困難となる場合がある。
【００１８】
本発明の第１の目的は、電子放出効率を向上させることができ、しかも、製造が比較的容易なエッジ型の冷陰極電界電子放出素子及びその製造方法、並びに、かかる冷陰極電界電子放出素子を組み込んだ冷陰極電界電子放出表示装置を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、電子放出層から放出された電子の軌道の収束性に優れ、しかも、製造が比較的容易なエッジ型の冷陰極電界電子放出素子及びその製造方法、並びに、かかる冷陰極電界電子放出素子を組み込んだ冷陰極電界電子放出表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の第１の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子は、
電子放出層と、絶縁層と、ゲート電極層とが、この順に支持体上に積層され、
ゲート電極層から支持体の表面に達する開口部が設けられ、
開口部は、ゲート電極層に設けられた第１開口部と、絶縁層に設けられた第２開口部と、電子放出層に設けられた第３開口部とから成り、
第１開口部と第２開口部と第３開口部とは連通しており、
電子が放出される第３開口部の開口端部は、第１開口部の開口端部よりも後退していることを特徴とする。ここで、第１開口部の開口端部とは、換言すれば、開口部に臨むゲート電極層の縁部である。また、第３開口部の開口端部とは、換言すれば、開口部に臨む電子放出層の縁部である。従って、第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子の重要なポイントの１つは、換言すれば、開口部において、電子放出層の縁部がゲート電極層の縁部よりも後退した構造にある。
【００２０】
上記の第２の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子は、
電子放出層と、絶縁層と、ゲート電極層とが、この順に支持体上に積層され、
ゲート電極層から支持体の表面に達する開口部が設けられ、
開口部は、ゲート電極層に設けられた第１開口部と、絶縁層に設けられた第２開口部と、電子放出層に設けられた第３開口部とから成り、
第１開口部と第２開口部と第３開口部とは連通しており、
電子が放出される第３開口部の開口端部の厚さは先端部に向かって減少し、且つ、第３開口部の開口端部の下縁は上縁よりも後退していることを特徴とする。換言すれば、第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子の重要なポイントの１つは、電子を放出する部分、即ち、開口部に臨む電子放出層の縁部が逆テーパ壁を有する構造にある。
【００２１】
尚、本明細書中において、或る開口部の開口端部の「突出」とは、その開口部が設けられた層の延在方向に沿って該開口端部が開口部の中央により近い位置にあることを表す。また、或る開口部の開口端部の「後退」とは、その開口部が設けられた層の延在方向に沿って該開口端部が開口部の中央からより遠い位置にあることを表す。
【００２２】
第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子において、第３開口部の開口端部が第１開口部の開口端部よりも後退しているということは、第１開口部の支持体への射影像が、第３開口部の支持体への射影像に含まれることを意味する。つまり、かかる冷陰極電界電子放出素子の開口部を支持体に垂直な方向から見た場合、電子放出層の縁部はゲート電極層の陰に完全に隠れている。従って、ゲート電極層に設けられた第１開口部が或る程度大きくとも、電界の閉じ込め効果が低下し難く、電子放出層の縁部近傍における電界強度を高く維持することができ、ゲート電圧の低減、更には消費電力の低減が可能となる。また、第３開口部の開口端部が第２開口部の下端部から突出しているということは、第３開口部の支持体への射影像が、第２開口部の下端部の支持体への射影像に含まれることを意味する。
【００２３】
第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子において、第１開口部の開口端部に対する第３開口部の開口端部の電子放出層の延在方向に沿った後退量をＸ、ゲート電極層と電子放出層との間の距離をＹとしたとき、０＜Ｘ／Ｙ≦１．７であることが好ましい。Ｘ／Ｙの値が１．７を超えると、電子放出層から放出された電子がゲート電極に衝突し、後述の表示装置に組み込まれた場合にアノード電極側へ電子が引き出せなくなる虞れが大きい。より好ましくは、０．４≦Ｘ／Ｙ≦１．２である。第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子に関しては、第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子と異なり、第３開口部の開口端部の上縁と第１開口部の開口端部との位置関係については、特に限定されない。
【００２４】
第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、第３開口部の開口端部が第２開口部の下端部から突出していることが好適であり、また、第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、第３開口部の開口端部の上縁が第２開口部の下端部から突出していることが好適である。即ち、第３開口部の開口端部は実際に電子を放出する部分であり、この部分が絶縁層に埋没しているよりも突出している方が、電子放出効率を高める観点から好ましいからである。
【００２５】
第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、第３開口部の開口端部の厚さは、その先端部に向かって減少していることが一層好適である。第３開口部の開口端部の厚さは、上縁から下縁に向かって減少しても（即ち、順テーパ状）、下縁から上縁に向かって減少しても（即ち、逆テーパ状）、あるいは上縁と下縁の両方から減少してもよく、また、減少の様式は単調であっても段階的であってもよい。
【００２６】
一方、第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、第３開口部の開口端部は、支持体に垂直な断面でみた場合、該開口端部の上縁に対する下縁の後退の度合いに応じたテーパ角θを有する。このテーパ角θの大きさは、概ね１０°≦θ≦８０°であることが好ましく、更に、放出電子軌道の収束性や電子放出層の機械的強度を考慮して２０°≦θ≦７０°であることが一層好ましい。開口端部のテーパ角θが概ね上記範囲内にある場合に、電界強度を開口端部近傍で効果的に高めると共に、上縁から放出された電子の大部分を開口部外へ指向させることが可能となる。尚、第３開口部の開口端部の厚さの減少様式は、単調であっても段階的であってもよい。
【００２７】
第１の態様及び第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子において、第１開口部、第２開口部及び第３開口部の平面形状は相似形であることが望ましいが、上述の幾何学的条件が満たされる限りにおいて、異なる平面形状を有していてもよい。これら開口部の平面形状としては、円、楕円、あるいはｎ角形（但し、ｎは３以上の整数）を挙げることができる。ｎ角形は、正ｎ角形でなくてもよく、また、その頂点は丸みを帯びていてもよい。ｎ角形の中では、矩形が特に好適であり、この場合、矩形の長辺をおおよそ１００μｍ、短辺を数μｍ〜１０μｍ程度に選択することが好ましい。
【００２８】
第１の態様及び第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、上述の電子放出層とゲート電極層以外の他の電極層が無くてもよいし、あってもよい。他の電極層が無い場合とは、支持体が、例えば絶縁基板である場合である。この場合の冷陰極電界電子放出素子は、例えば絶縁基板の上に電子放出層が直に形成され、第３開口部の底部に絶縁基板が露出した構成を有する。第３開口部の直下の絶縁基板の部分には、凹部が設けられていてもよい。このときの凹部の平面形状は、第３開口部の平面形状と合同又は相似であることが好ましいが、絶縁基板表面への第３開口部の射影像が絶縁基板表面への凹部の射影像に包含される限りにおいて、凹部と第３開口部の平面形状が互いに異なっていても構わない。
【００２９】
第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子が凹部を有する場合、開口部の最深部は電子放出層に設けられる第３開口部で終わらず、電子放出層の更に下側へ延びることになる。このことは、開口部の近傍に強い電界凸レンズ効果を顕すような電界強度分布を形成し、以て、放出電子軌道の収束性を高める上で効果的である。また、第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子において、凹部の上端部を第３開口部の開口端部よりも後退させる（即ち、開口部に臨む電子放出層の縁部を凹部の壁面から突出させる）ことにより、電子放出効率を高めることができる。
【００３０】
第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃えるか、若しくは該上縁よりも後退させることにより、開口部に臨む電子放出層の縁部を凹部の側壁面から突出させることができ、電子放出効率を高めることができる。第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子において、凹部の上端部と第３開口部の開口端部の下縁との位置関係については、特に限定されない。即ち、第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子において、凹部の上端部は、第３開口部の開口端部の上縁と下縁の中間位置にあってもよいし、第３開口部の開口端部の下縁と揃っていてもよいし、第３開口部の開口端部の下縁より更に後退していてもよい。
【００３１】
一方、第１の態様及び第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子において、他の電極層がある場合とは、（ａ）電子放出層の下側に第２ゲート電極層がある場合、（ｂ）ゲート電極層の上側に収束電極層がある場合、あるいは、（ｃ）これら第２ゲート電極層と収束電極層の双方がある場合である。
【００３２】
（ａ）及び（ｃ）の場合の冷陰極電界電子放出素子おいて、支持体は、絶縁基板と、絶縁基板上に形成された第２ゲート電極層と、第２ゲート電極層上を含む絶縁基板上に形成された第２絶縁層とから成り、開口部は、第３開口部と連通するごとく第２絶縁層に設けられた第４開口部を更に含み、第４開口部の底部には第２ゲート電極層が露出している構成とすることができる。この構成においては、第２ゲート電極層がゲート電極層と協働して電子放出層に電界を加えることが可能となる。従って、ゲート電極層が単独で設けられている場合と比べて、電子放出層に強い電界を加えることが可能となる。第４開口部の平面形状は、第３開口部の平面形状と合同又は相似であることが好ましい。更に、第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部よりも後退させることにより、電子放出層の縁部を開口部の側壁面から突出させることができ、電子放出効率を高めることができる。また、第３開口部の開口端部が逆テーパ壁を有する第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃えるか、若しくは該上縁より後退させることにより、電子放出層の縁部を第４開口部の側壁面から突出させることができ、電子放出効率を高めることができる。いずれの態様に係る冷陰極電界電子放出素子においても、第４開口部の平面形状は第３開口部の平面形状と相似であることが好ましいが、絶縁基板表面への第４開口部の上端部の射影像に、絶縁基板表面への第３開口部の射影像が包含される限りにおいて、第４開口部と第３開口部の平面形状が互いに異なっていても構わない。
【００３３】
（ｂ）及び（ｃ）の場合の冷陰極電界電子放出素子においては、ゲート電極層上を含む絶縁層上に形成された層間絶縁層、及び、この層間絶縁層上に形成された収束電極層を更に備え、開口部は、第１開口部と連通するごとく層間絶縁層に設けられた第５開口部と、第５開口部と連通するごとく収束電極層に設けられた第６開口部とを更に含む構成とすることもできる。ゲート電極層に設けられる第１開口部と、収束電極層に設けられる第６開口部との平面形状や大小関係については特に限定されないが、電界凸レンズ効果を得る観点から、第６開口部は第１開口部よりも大きいことが望ましい。また、収束電極層の電位は電子放出層の電位と同一あるいは近似しているため、収束電極層の開口端部が開口部内に突出していると、収束電極層から下向き、即ち、ゲート電極層側へ向かって電子放出が生ずる虞れがある。そこで、第６開口部の開口端部は、層間絶縁層に設けられる第５開口部の開口端部よりも後退させておくことが好適である。
【００３４】
上述の第１の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子の製造方法（以下、第１の態様に係る製造方法と称する）は、上述の第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子を製造するための方法であり、
（イ）支持体上に、電子放出層及び絶縁層を形成する工程と、
（ロ）絶縁層上にゲート電極層を形成する工程と、
（ハ）少なくとも下端部がゲート電極に設けられた第１開口部の開口端部よりも後退した第２開口部を絶縁層に形成する工程と、
（ニ）第２開口部の底部に露出した電子放出層をエッチングすることにより、開口端部が第１開口部の開口端部よりも後退した第３開口部を電子放出層に形成する工程、
から成ることを特徴とする。
【００３５】
また、上述の第２の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子の製造方法（以下、第２の態様に係る製造方法と称する）は、上述の第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子を製造するための方法であり、
（イ）支持体上に、電子放出層及び絶縁層を形成する工程と、
（ロ）絶縁層上にゲート電極層を形成する工程と、
（ハ）ゲート電極層に設けられた第１開口部に連通する第２開口部を絶縁層に形成する工程と、
（ニ）第２開口部の底部に露出した電子放出層をエッチングすることにより、開口端部の厚さが先端部に向かって減少し、且つ、開口端部の下縁が上縁よりも後退した第３開口部を電子放出層に形成する工程、
から成ることを特徴とする。
【００３６】
第１の態様及び第２の態様に係る製造方法においては、工程（ハ）で絶縁層に第２開口部が形成される前に、実際にはゲート電極層に第１開口部が形成されており、第２開口部は第１開口部に連通して形成される。第１開口部を、工程（ロ）においてゲート電極層を形成する際に同時に形成してもよいし、工程（ロ）の終了後、工程（ハ）に先立って形成してもよい。
【００３７】
第１の態様に係る製造方法において、工程（ハ）が終了した時点における第２開口部は、ゲート電極層の下に所謂アンダーカットが発生した状態で形成されており、しかも、第２開口部の壁面全体が、既にゲート電極層に形成されている第１開口部の開口端部より後退していることが好ましい。これにより、次の工程（ニ）のエッチングが終了した時点で、電子放出層に設けられた第３開口部の開口端部を第２開口部の下端部から突出させることができるからである。第２の態様に係る製造方法において、第１開口部の開口端部と第３開口部の開口端部との位置関係が特に規定されないので、工程（ハ）が終了した時点における第２開口部の壁面と第１開口部の開口端部との間の位置関係も特に規定されない。
【００３８】
第１の態様及び第２の態様に係る製造方法において、工程（ニ）における電子放出層のエッチングは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のように、イオンを主エッチング種とする条件下で行うことができる。通常、イオンを主エッチング種とするエッチングは、開口端部に垂直壁を形成する目的で行われる場合が多いが、イオンの平均自由行程が十分に長くなかったり、被エッチング物の自己バイアス又は印加バイアスが十分に大きくなかったり、イオンの質量が十分に大きくなかったり、プラズマを励起する高周波の周波数が比較的高い、といった諸条件や、被エッチング領域の隅部におけるエッチング種の滞留、散乱、側方マイグレーション等の現象によっては、第３開口部の開口端部に順テーパ壁（即ち、エッチングが深く進行するにつれて被エッチング面積が減少する方向へ傾斜した壁）が形成されたり、あるいは逆テーパ壁（即ち、エッチングが深く進行するにつれて被エッチング面積が増大する方向へ傾斜した壁）が形成される場合がある。特に、第２の態様に係るの製造方法においては、第３開口部の開口端部に逆テーパ壁が形成されるような電子放出層のエッチング条件を選択することが、プロセス上の１つのポイントとなる。
【００３９】
第１の態様及び第２の態様に係る製造方法において、支持体が絶縁基板から成る場合には、前記工程（ニ）の後に、
（ホ）第３開口部の直下の絶縁基板の部分に凹部を形成する工程、
を更に含んでいてもよい。これによって、開口部の最深部を電子放出層の下側へ延長することができ、開口部に臨む電子放出層の縁部の近傍に電界凸レンズ効果を効果的に顕す冷陰極電界電子放出素子を得ることができる。更に、第１の態様に係る製造方法の工程（ホ）では、絶縁基板を等方的にエッチングすることにより、凹部の上端部を第３開口部の開口端部よりも後退させてもよい。これにより、電子放出層に設けられた第３開口部の開口端部を開口部の側壁面から突出させることができ、電子放出効率を高めることが可能となる。また、第２の態様に係る製造方法の工程（ホ）では、絶縁基板をエッチングすることにより、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃えるか、若しくは、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁よりも後退させてもよい。凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃える場合には、異方的なエッチングを行えばよい。一方、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁よりも後退させる場合には、等方的なエッチングを行うか、又は、異方的なエッチングと等方的なエッチングとを組み合わせて行えばよい。尚、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁よりも後退させるケースには、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と下縁の中間位置とするケースや、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の下縁と揃えるケースや、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の下縁よりも更に後退させるケースが含まれる。これにより、電子放出層の縁部を凹部の側壁面から突出させることができ、電子放出効率を高めることが可能となる。
【００４０】
第１の態様及び第２の態様に係る製造方法において、支持体が、絶縁基板と、絶縁基板上に形成された第２ゲート電極層と、第２ゲート電極層上を含む絶縁基板上に形成された第２絶縁層とから成る場合には、前記工程（ニ）の後に、
（ヘ）第３開口部の直下の第２絶縁層の部分に第４開口部を形成し、該第４開口部の底部に第２ゲート電極層を露出させる工程、
が更に含まれていてもよい。第４開口部の底部に露出した第２ゲート電極層は、ゲート電極層と協働して電子放出層に電界を加えることができる。更に、第１の態様に係る製造方法の工程（ヘ）では、第２絶縁層を等方的にエッチングすることにより、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部よりも後退させることが好適である。これにより、電子放出層の先端部（あるいは縁部）を開口部の側壁面から突出させることができ、電子放出効率を高めることができる。また、第２の態様に係る製造方法の工程（ヘ）では、第２絶縁層をエッチングすることにより、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃えるか、若しくは、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁よりも後退させてもよい。第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃える場合には、異方的なエッチングを行えばよい。一方、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁よりも後退させる場合には、等方的なエッチングを行うか、又は、異方的なエッチングと等方的なエッチングとを組み合わせて行えばよい。尚、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁よりも後退させるケースには、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と下縁の中間位置とするケースや、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の下縁と揃えるケースや、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の下縁よりも更に後退させるケースが含まれる。これにより、電子放出層の先端部（あるいは縁部）を開口部の側壁面から突出させることができ、電子放出効率を高めることができる。
【００４１】
第１の態様及び第２の態様に係る製造方法において、収束電極層を設ける場合には、前記工程（イ）に続き、全面に層間絶縁層を形成し、更に、層間絶縁層上に収束電極層を形成した後、層間絶縁層に第５開口部を形成することができる。実際には、層間絶縁層に第５開口部が形成される前に、収束電極層に第６開口部が形成されており、第５開口部は第６開口部に連通して形成される。第６開口部は、収束電極層を形成する際に同時に形成されてもよいし、収束電極層を形成した後に形成されてもよい。第５開口部を形成した後は、工程（ハ）において、該第５開口部に連通する第２開口部を絶縁層に形成する。第２開口部の形成前には、前述したように、実際にはゲート電極層に第１開口部が形成されている。つまり、第６開口部の形成は第５開口部の形成と連続して行われるとは限られず、また、第１開口部の形成は第２開口部の形成と連続して行われるとは限られない。従って、層間絶縁層と収束電極層を設ける場合、各開口部の形成順としては下記の４通りのケースが存在することになる。尚、カッコ内に記した第１開口部は、ゲート電極層の形成時に同時に形成されたことを表し、カッコ内に記した第６開口部は、収束電極層の形成時に同時に形成されたことを表す。
（１）第６開口部→第５開口部→第１開口部→第２開口部
（２）（第１開口部）→第６開口部→第５開口部→第２開口部
（３）（第６開口部）→第５開口部→第１開口部→第２開口部
（４）（第１開口部）→（第６開口部）→第５開口部→第２開口部
【００４２】
収束電極層は、アノード電極と電子放出層との間の電位差が数キロボルトのオーダーであって両電極間の距離が比較的長い、所謂高電圧タイプの表示装置において、電子放出層から放出された電子の軌道の発散を防止するために設けられる部材である。放出電子軌道の収束性を高めることによって、画素間の光学的クロストークを低減し、以て、更に画素を微細化して表示画面の高精細度化を図ることが可能となる。尚、収束電極層は、必ずしも各冷陰極電界電子放出素子毎に個別に設けられていなくても良く、例えば２次元マトリクス状に配列された冷陰極電界電子放出素子の列毎、あるいは行毎に帯状に設けられていてもよい。収束電極層が帯状に設けられている場合、第６開口部の平面形状は帯状となり、他の第１開口部乃至第５開口部の平面形状とは異なることになる。
【００４３】
第１の態様及び第２の態様に係る製造方法の工程（ハ）において、絶縁層に第２開口部を形成する典型的な手法としては、絶縁層をエッチングする手法を挙げることができる。特に、第１の態様に係る製造方法においては、少なくとも第２開口部の下端部がゲート電極層に設けられた第１開口部の開口端部よりも後退している必要があるので、最初から等方的なエッチングを行って第２開口部を形成するか、あるいは異方的なエッチングを行って垂直壁を有する第２開口部を形成した後、等方的なエッチングを行って垂直壁を後退させることが好ましい。第１の態様に係る製造方法の工程（ホ）及び工程（ヘ）でも、等方的なエッチングを行うことが好適である。第２の態様に係る製造方法の工程（ホ）及び工程（ヘ）では、凹部や第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃える場合には、異方的なエッチングを行えばよい。一方、凹部や第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁よりも後退させる場合には、最初から等方的なエッチングを行って凹部や第４開口部を形成するか、あるいは異方的なエッチングを行って垂直壁を有する凹部や第４開口部を形成した後、等方的なエッチングを行って垂直壁を後退させることが好ましい。尚、等方的なエッチングは、典型的には、ウェットエッチング、あるいはラジカルが主エッチング種となるドライエッチング条件下で行うことができる。等方性エッチングでは、被エッチング物の除去が深さ方向と面内方向の双方に進行するので、形成される第２開口部、凹部あるいは第４開口部の壁面が後退するが、このときの後退量は、エッチング時間の長短により制御することができる。
【００４４】
上述の第１の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る冷陰極電界電子放出表示装置は、第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子を組み込んだ装置であり、
複数の画素から構成され、
各画素は、複数の冷陰極電界電子放出素子と、複数の冷陰極電界電子放出素子に対向して基板上に設けられたアノード電極層及び蛍光体層から構成され、
各冷陰極電界電子放出素子は、電子放出層と、絶縁層と、ゲート電極層とが、この順に支持体上に積層されて成る冷陰極電界電子放出表示装置であって、
ゲート電極層から支持体の表面に達する開口部が設けられ、
開口部は、ゲート電極層に設けられた第１開口部と、絶縁層に設けられた第２開口部と、電子放出層に設けられた第３開口部とから成り、
第１開口部と第２開口部と第３開口部とは連通しており、
電子が放出される第３開口部の開口端部は、第１開口部の開口端部よりも後退していることを特徴とする。
【００４５】
また、上述の第２の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る冷陰極電界電子放出表示装置は、第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子を組み込んだ装置であり、
複数の画素から構成され、
各画素は、複数の冷陰極電界電子放出素子と、複数の冷陰極電界電子放出素子に対向して基板上に設けられたアノード電極層及び蛍光体層から構成され、
各冷陰極電界電子放出素子は、電子放出層と、絶縁層と、ゲート電極層とが、この順に支持体上に積層されて成る冷陰極電界電子放出表示装置であって、
ゲート電極層から支持体の表面に達する開口部が設けられ、
開口部は、ゲート電極層に設けられた第１開口部と、絶縁層に設けられた第２開口部と、電子放出層に設けられた第３開口部とから成り、
第１開口部と第２開口部と第３開口部とは連通しており、
電子が放出される第３開口部の開口端部の厚さは先端部に向かって減少し、且つ、第３開口部の開口端部の下縁は上縁よりも後退していることを特徴とする。
【００４６】
第１の態様及び第２の態様に係る冷陰極電界電子放出表示装置は、第１の態様及び第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子に関連して述べた凹部や第２ゲート電極や収束電極をいずれも備えていてよく、また、各開口部の開口端部に関する規定についても、第１の態様及び第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子に関連して述べた規定が全て当てはまる。
【００４７】
第１の態様及び第２の態様に係る冷陰極電界電子放出表示装置において、支持体あるいは基板は、少なくとも表面が絶縁性を有する材料により構成されていればよく、ガラス基板、表面に絶縁膜が形成されたガラス基板、石英基板、表面に絶縁膜が形成された石英基板、表面に絶縁膜が形成された半導体基板を挙げることができる。
【００４８】
本発明のあらゆる態様に係る冷陰極電界電子放出素子及びその製造方法、並びに、冷陰極電界電子放出表示装置において、ゲート電極層あるいは第２ゲート電極層は、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｕ）等の金属層、又はこれらの金属元素を含む合金層、又はこれらの金属元素を含む化合物（例えばＴｉＮ等の窒化物や、ＷＳｉ2、ＭｏＳｉ2、ＴｉＳｉ2、ＴａＳｉ2等のシリサイド）、カーボン、ＩＴＯ（インジウム・錫酸化物）等の透明導電材料、あるいは不純物を含有するシリコンやダイヤモンド等の半導体を用いて形成することができる。ゲート電極層あるいは第２ゲート電極層の形成方法としては、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、イオン・プレーティング法等の通常の薄膜作製プロセスの他、印刷法を利用することができる。ゲート電極層を構成する材料と、第２ゲート電極層を構成する材料は同じであっても、異なっていてもよい。
【００４９】
本発明のあらゆる態様に係る冷陰極電界電子放出素子及びその製造方法、並びに、冷陰極電界電子放出表示装置において、電子放出層は、典型的には、タングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）等の高融点金属材料、あるいはダイヤモンド等の半導体を用いて形成される。ゲート電極層のエッチングによって第１開口部を形成する場合には、電子放出層に第３開口部を形成する際の電子放出層のエッチング速度がゲート電極層のエッチング速度よりも早くなるように、電子放出層を構成する材料とゲート電極層を構成する材料の組合せを選択することが好ましく、例えば電子放出層を構成する材料としてタンタル（Ｔａ）、ゲート電極層を構成する材料としてタングステン（Ｗ）を例示することができ、あるいは又、例えば電子放出層を構成する材料としてタングステン（Ｗ）、ゲート電極層を構成する材料としてタンタル（Ｔａ）を例示することができる。厚さは、おおよそ０．０５〜０．５μｍ、好ましくは０．１〜０．３μｍの範囲とすることが望ましいが、かかる範囲に限定するものではない。
【００５０】
本発明のあらゆる態様に係る冷陰極電界電子放出素子及びその製造方法、並びに、冷陰極電界電子放出表示装置において、絶縁層、第２絶縁層あるいは層間絶縁層の構成材料としては、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ガラスペースト硬化物を単独あるいは適宜組み合わせて使用することができる。絶縁層、第２絶縁層あるいは層間絶縁層の形成には、ＣＶＤ法、塗布法、スパッタリング法、印刷法等の公知の手法が利用できる。
【発明の効果】
【００５１】
以上のように、本発明の第１の態様に係る電界放出素子は、電子放出層の上に絶縁層を挟んでゲート電極層が形成された所謂エッジ型素子であって、開口部に臨む電子放出層の縁部がゲート電極層の縁部よりも後退している。それ故、開口部内に電界を効率的に集中させることができ、低いゲート電圧にて高い放出電子電流を得ることが可能となる。また、本発明の第２の態様に係る電界放出素子は、同じくエッジ型素子であって、開口部に臨む電子放出層の縁部に逆テーパ壁が形成されている。それ故、電子放出層の縁部から放出された電子の大部分を、開口部外へ直接に指向させることが可能となる。
【００５２】
第１の態様に係る電界放出素子を組み込んだ第１の態様に係る表示装置、及び、第２の態様に係る電界放出素子を組み込んだ第２の態様に係る表示装置においては、低消費電力であるにも拘わらず、高輝度、高画質を達成することができる。また、本発明の第１の態様及び第２の態様に係る電界放出素子の製造方法によれば、開口部の断面形状や、開口部に臨む電子放出層の縁部の形状を自己整合的に得ることができ、再現性やスループットの観点から極めて有利であり、また表示画面の大面積化にも対応可能な高い信頼性を有するプロセスが実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
本発明の第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子（以下、電界放出素子と称する）の最も基本的な構成を図１に示す。この電界放出素子においては、絶縁基板から成る支持体１０上に電子放出層１３、絶縁層１４、ゲート電極層１５がこの順に積層された積層体に、開口部１６が設けられている。この開口部１６は、互いに連通する相似形の３つの開口部、即ち、ゲート電極層１５に設けられた第１開口部１５Ａ、絶縁層１４に設けられた第２開口部１４Ａ、及び、電子放出層１３に設けられた第３開口部１３Ａから成る。そして、開口部１６の底部には支持体１０が露出している。また、第２開口部の壁面は、第１開口部１５Ａの開口端部より後退しており、この壁面から第３開口部の開口端部（即ち、開口部１６に臨む電子放出層１３の縁部）が突出している。尚、１画素は、かかる開口部１６が複数個集合して構成されている。
【００５４】
図１の（Ａ）には、電子放出層１３に設けられた第３開口部１３Ａの開口端部が、支持体１０に対して垂直な垂直壁を有する構成を示す。この場合、第３開口部１３Ａの垂直壁が、開口端部の先端部となる。一方、図１の（Ｂ）には、電子放出層１３に設けられた第３開口部１３Ａの開口端部が支持体１０に対して傾斜した傾斜壁を有する構成を示す。この場合、開口部１６の中央へ向かって最も大きく突出した傾斜壁の部分が、開口端部の先端部となる。尚、図１の（Ｂ）には、傾斜壁が順テーパ壁である構成を示しているが、逆テーパ壁であってもよい。第３開口部１３Ａの開口端部が垂直壁、傾斜壁のいずれを有するにしても、第１の態様に係る電界放出素子は、図１の（Ｃ）に示すように、電子が放出される第３開口部１３Ａの開口端部が第１開口部１５Ａの開口端部よりも後退している点に特色を有する。換言すれば、第１開口部１５Ａの支持体１０への射影像は、第３開口部１３Ａの支持体１０への射影像に包含される。尚、図１の（Ｃ）には、第１開口部１５Ａと第３開口部１３Ａの平面形状が矩形である場合を図示したが、他の任意の平面形状が可能である。
【００５５】
第１の態様に係る電界放出素子は、第１開口部１５Ａと第３開口部１３Ａとの間に上述の幾何学的条件が成り立つ限りにおいて、図２に示すような構成も可能である。図２の（Ａ）は図１の（Ａ）に示した構成と同じである。図２の（Ｂ）には、支持体１０が絶縁基板から成る場合に、第３開口部１３Ａの直下の絶縁基板の部分に凹部２４を設けた構成を示す。この凹部２４の上端部は、第３開口部１３Ａの開口端部よりも後退している。図２の（Ｃ）には、図２の（Ａ）の構成に層間絶縁層２５と収束電極層２６を設けた構成を示す。ゲート電極層１５を含む絶縁層１４上に形成された層間絶縁層２５には、第１開口部１５Ａと連通するごとく第５開口部２５Ａが設けられている。また、層間絶縁層２５上に形成された収束電極層２６には、第５開口部２５Ａと連通するごとく第６開口部２６Ａが設けられている。図２の（Ｄ）には、図２の（Ｃ）に示した構成に凹部２４を追加した構成を示す。図２の（Ｅ）には、支持体１０が絶縁基板１００と、絶縁基板１００上に形成された第２ゲート電極層１１と、第２ゲート電極層１１上を含む絶縁基板１００に形成された第２絶縁層１２から成り、開口部１６が更に第２絶縁層１２に設けられた第４開口部１２Ａを含む構成を示す。第４開口部１２Ａの上端部は、第３開口部１３Ａの開口端部よりも後退している。図２の（Ｆ）には、図２の（Ｅ）に示した構成に層間絶縁層２５と収束電極層２６を追加した構成を示す。
【００５６】
第２の態様に係る電界放出素子の最も基本的な構成を図３及び図４に示す。図３の（Ａ）は電界放出素子の模式的端面図であり、図３の（Ｂ）は上面図である。図３と図４の参照符号は図１の参照符号と共通であるので、各部の詳細な説明は省略する。電子が放出される第３開口部１３Ａの開口端部の厚さは、先端部に向かって減少し、且つ、第３開口部１３Ａの開口端部の下縁は上縁よりも後退している。即ち、第３開口部１３Ａの開口端部は逆テーパ壁を有する。表示装置の１画素は、かかる開口部１６が複数個集合して構成されている。図３の（Ａ）に示す電界放出素子の第３開口部１３Ａの開口端部の上縁は、第１開口部１５Ａの開口端部と揃っている。従って、図３の（Ｂ）における第１開口部１５Ａと第３開口部１３Ａとは重なっている。
【００５７】
図４の（Ａ）には、第３開口部１３Ａの開口端部の上縁が第１開口部１５Ａの開口端部よりも後退した電界放出素子を示し、図４の（Ｃ）には、第３開口部１３Ａの開口端部の上縁が第１開口部１５Ａの開口端部より突出した電界放出素子を示す。図４の（Ｂ）は、これらの電界放出素子をまとめて示す上面図である。尚、図３及び図４に示した第１開口部１５Ａと第３開口部１３Ａの平面形状は、矩形に限られず、他の任意の平面形状であってよい。
【００５８】
第２の態様に係る電界放出素子は、電子が放出される第３開口部１３Ａの開口端部の厚みが先端部に向かって減少し、且つ、開口端部の下縁が上縁よりも後退している限りにおいて、図５に示すような構成も可能である。図５の（Ａ）は図３の（Ａ）に示した構成と同じである。図５の（Ｂ）には、支持体１０が絶縁基板から成る場合に、第３開口部１３Ａの直下の絶縁基板の部分に凹部２４を設けた構成を示す。この凹部２４の上端部が、第３開口部１３Ａの開口端部の上縁と下縁の中間位置にある場合を実線で示し、下縁よりも更に後退している場合を破線で示す。図５の（Ｃ）には、図５の（Ａ）の構成に層間絶縁層２５と収束電極層２６を設けた構成を示す。ゲート電極層１５を含む絶縁層１４上に形成された層間絶縁層２５には、第１開口部１５Ａと連通するごとく第５開口部２５Ａが設けられている。また、層間絶縁層２５上に形成された収束電極層２６には、第５開口部２５Ａと連通するごとく第６開口部２６Ａが設けられている。図５の（Ｄ）には、図５の（Ｃ）に示した構成に凹部２４を追加した構成を示す。実線と破線による表現は、図５の（Ｂ）と同様である。図５の（Ｅ）には、支持体１０が絶縁基板１００と、絶縁基板１００上に形成された第２ゲート電極層１１と、第２ゲート電極層１１上を含む絶縁基板１００に形成された第２絶縁層１２から成り、開口部１６が更に第２絶縁層１２に設けられた第４開口部１２Ａを含む構成を示す。第４開口部１２Ａの上端部が、第３開口部１３Ａの開口端部の上縁と下縁の中間位置にある場合を実線で示し、下縁よりも更に後退している場合を破線で示す。図５の（Ｆ）には、図５の（Ｅ）に示した構成に層間絶縁層２５と収束電極層２６を追加した構成を示す。実線と破線による表現は、図５の（Ｅ）と同様である。
【００５９】
（実施の形態１）
実施の形態１は、第１の態様に係る電界放出素子の代表例として、図２の（Ｅ）に示した構成を有する電界放出素子と、この電界放出素子を製造するための第１の態様に係る製造方法、並びに、かかる電界放出素子を組み込んだ第１の態様に係る冷陰極電界電子放出表示装置（以下、表示装置と称する）に関する。図６に、電界放出素子の開口部１６の近傍のみを一部破断して示し、図７に、図６のＡ−Ａ線断面を開口部の周辺も含めて示す。絶縁層１４には、第２開口部１４Ａの形成領域に隣接する領域において、電子放出層１３に所定の電圧を供給するための電気的接続部となる第１孔部１７が形成されている。また、第２絶縁層１２には、第４開口部１２Ａの形成領域に隣接する領域において、第２ゲート電極層１１に所定の電圧を供給するための電気的接続部となる第２孔部１８が形成されている。
【００６０】
以下、上述した第１の態様に係る電界放出素子の製造方法について、図８乃至図１０を参照しながら説明する。尚、以下の説明中、任意のプロセスが終了した段階における絶縁基板とその上に形成されたあらゆる構造物を、「基体」と総称することがある。
【００６１】
［工程−１００］
先ず、一例としてガラス基板から成る絶縁基板１００の上に、スパッタリングにより厚さ約０．２μｍのタングステン膜を製膜し、通常の手順に従ってフォトリソグラフィ及びドライエッチングによりこのタングステン膜をパターニングし、第２ゲート電極層１１を形成する。次に、全面に第２絶縁層１２を形成する。ここでは一例として、ＳｉＯ2を約０．３μｍの厚さに形成する。更に、この第２絶縁層１２の上にタンタルから成る導電膜を０．２μｍの厚さに形成した後、所定の形状にパターニングし、電子放出層１３を形成する。次に、全面に例えばＳｉＯ2から成る絶縁層１４を例えば約０．７μｍの厚さに形成する。更に、この絶縁層１４の上に厚さ約０．２μｍのタングステン膜を形成し、所定のパターニングを行うことによって、ゲート電極層１５を得ることができる。ゲート電極層１５の構成材料や厚さについては、第２ゲート電極層１１と同じであってもよいし、異なっていてもよい。ここまでのプロセスが終了した状態を、図８の（Ａ）に示す。
【００６２】
［工程−１１０］
次に、図８の（Ｂ）に示すように、絶縁層１４及び第２絶縁層１２のパターニングを行い、電子放出層１３に所定の電圧を供給するための電気的接続部となる第１孔部１７と、第２ゲート電極層１１に所定の電圧を供給するための電気的接続部となる第２孔部１８とを形成する。
【００６３】
［工程−１２０］
次に、基体の全面にレジスト層１９を形成し、更にこのレジスト層１９に、ゲート電極層１５の表面を一部露出させるようにレジスト開口部１９Ａを形成する。このレジスト開口部１９Ａは、通常のフォトリソグラフィ及び現像処理を経て形成することができ、デフォーカス露光や化学増幅系レジスト材料における難溶化層の形成といった特殊な手法や微妙な制御は一切不要である。レジスト開口部１９Ａの平面形状は矩形であり、図９の（Ａ）にはその短辺方向の断面が示されている。矩形の長辺はおおよそ１００μｍ、短辺は数μｍ〜１０μｍである。続いて、レジスト開口部１９Ａの底部に露出したゲート電極層１５を例えばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法により異方的にエッチングし、第１開口部１５Ａを形成する。ここではゲート電極層１５をタングステンを用いて構成しているので、ＳＦ6ガスを用いたエッチングにより、開口端部に垂直壁を有する第１開口部１５Ａを形成することができる（図９の（Ａ）参照）。
【００６４】
［工程−１３０］
次に、図９の（Ｂ）に示すように、第１開口部１５Ａの底部に露出した絶縁層１４を等方的にエッチングし、第２開口部１４Ａを形成する。ここでは、絶縁層１４をＳｉＯ2を用いて形成しているので、緩衝化フッ酸水溶液を用いたウェットエッチングを行う。第２開口部１４Ａの壁面は、第１開口部１５Ａの開口端部よりも後退するが、このときの後退量はエッチング時間の長短により制御することができる。ここでは、第２開口部１４Ａの下端部が第１開口部１５Ａの開口端部よりも後退するまで、ウェットエッチングを行う。尚、絶縁層１４のエッチングは、ドライエッチングとウェットエッチングを組み合わせて行ってもよい。例えば、異方的なドライエッチングにより垂直壁を有する第２開口部１４Ａを形成した後、等方的なウェットエッチングにより垂直壁を後退させてもよい。かかる２種類のエッチングの組合せは、後述の第２絶縁層１２のエッチングにも同様に適用できる。
【００６５】
［工程−１４０］
次に、図１０の（Ａ）に示すように、第２開口部１４Ａの底部に露出した電子放出層１３を、イオンを主エッチング種とする条件によりドライエッチングし、第３開口部１３Ａを形成する。これにより、第３開口部１３Ａの開口端部には、第２開口部１４Ａの下端部とほぼ揃った位置にて垂直壁が形成される。エッチング・ガスとしては、ＳＦ6を用いることができる。但し、プラズマ中の主エッチング種の中にも垂直以外の角度を有する入射成分が存在し、あるいは、第１開口部の開口端部における散乱によって斜め入射成分が生成する場合には、電子放出層１３の縁部の中で、第１開口部１５Ａの垂直投影像によって遮蔽される領域にも或る程度の確率で主エッチング種が入射する。このような場合には、第３開口部１３Ａの開口端部に図１の（Ｂ）に示したような順テーパ壁が形成される。即ち、開口部１６に臨む電子放出層１３の縁部の厚さが、突出方向の先端部に向けて薄くなり、先端部が先鋭化される。
【００６６】
［工程−１５０］
次に、図１０の（Ｂ）に示すように、第３開口部１３Ａの底部に露出した第２絶縁層１２を等方的にエッチングし、第４開口部１２Ａを形成し、開口部１６を完成させる。ここでは、前述の第２絶縁層１４の場合と同様に、緩衝化フッ酸水溶液を用いたウェットエッチングを行う。第４開口部１２Ａの壁面は第３開口部１３Ａの開口端部よりも後退する。このときの後退量はエッチング時間の長短により制御可能であるが、第４開口部１２Ａの上端部を電子放出層１３に設けられた第３開口部１３Ａの開口端部よりも後退させる必要がある。このとき、先に形成された第２開口部１４Ａの壁面は更に後退する。尚、開口部１６の完成後にレジスト層１９を除去すると、図７に示した構成を得ることができる。
【００６７】
以上のようにして作製された電界放出素子は、実際には多数集合してカソードパネルを構成する。このカソードパネルを、図１１に示すようにアノードパネル２３と組み合わせ、外部電源回路に接続すると、第１の態様に係る表示装置３０が完成される。カソードパネルとアノードパネル２３との間の空間は、高真空とされている。実際の表示装置の構成においては、アノードパネルの周縁部とカソードパネルの周縁部とがスペーサ及び／又は枠体を介して接合され、これら両パネル間の空間が排気されている。また、アノードパネル２３には、図示は省略するが、所定のパターンに形成された蛍光体層とアノード電極層が設けられている。外部電源回路には第１ゲート電極用電源２０、第２ゲート電極用電源２１、アノード用電源２２が含まれ、第２ゲート電極層１１及びゲート電極層１５に例えばパルス状の正電圧（例えば０〜１００ボルト）、アノードパネル２３のアノード電極層（図示せず）にこれより大きな正電圧が印加される。尚、例えば、第２ゲート電極層１１にパルス状の正電圧を印加し、ゲート電極層１５に一定の正電圧を印加してもよい。また、電子放出層１３には負電圧が印加され、あるいは又、接地される。
【００６８】
アノードパネル２３とカソードパネルとを周縁部において接着して表示装置を製造する際、周縁部はフリットガラスや低融点金属材料のみによって接着されていてもよいし、あるいは枠体を介して接着されていてもよい。枠体を用いる場合の枠体とアノードパネル２３との間の接着や、枠体とカソードパネルとの間の接着も、フリットガラスや低融点金属材料を用いて行うことができる。ここで、低融点金属材料の「低融点」とは、概ね４００°Ｃの温度範囲を指し、該材料は、インジウム、インジウム系合金、錫系はんだ、鉛系はんだ、亜鉛系はんだの中から適宜選択することができる。かかる低融点金属材料は、フリットガラスに比べて脱ガスを生じにくいため、表示装置の内部空間の真空度を長期間に亘り維持し、以て、表示装置の長寿命化を図る上で好適である。表示装置の製造に際しては、例えば、セラミックスやガラスから作製された高さ約１ｍｍの枠体（図示せず）を用意し、枠体とアノードパネル２３とカソードパネルとをフリットガラスを用いて仮接着した後、約４５０゜Ｃで１０〜３０分焼成すればよい。その後、表示装置の内部空間を１０-4Ｐａ程度の真空度となるまで排気し、適当な方法で封止する。あるいは、真空槽内で枠体とアノードパネル２３とカソードパネルとをフリットガラスや低融点金属材料、更には枠体を用いて接着してもよく、この場合には、接着と同時に表示装置の内部が高真空となるので、後工程における排気が不要となる。
【００６９】
かかる表示装置３０の構成においては、開口部１６に臨む電子放出層１３の縁部にゲート電極層１５及び第２ゲート電極層１１から電界が加わり、量子トンネル効果によって電子放出層１３の縁部から電子が放出される。放出された電子の一部（ｅ1）は、そのまま開口部１６から図示されない蛍光体層に向かい、他の一部は第２ゲート電極層１１の表面で反跳された反跳電子（ｅ2）となって蛍光体層に向かう。電子放出層１３から放出された電子の衝突により第２ゲート電極層１１の表面から二次電子放出が生ずることもあり、かかる二次電子（ｅ3）も蛍光体層に向かう。これらの電子ｅ1，ｅ2，ｅ3のいずれも、最終的には蛍光体層を励起させこれを発光させることに寄与する。第１の態様に係る電界放出素子は、ゲート電極層１５に設けられた第１開口部１５Ａにより開口部１６の電子の出口に相当する部分が狭められているため、開口部１６の内部において電界が効果的に閉じこめられる。この状態は、等電位線を用いて表現すれば、等電位線の間隔が電子放出層１３の縁部近傍で密となっており、電子放出層１３の縁部に効率的に強電界が加わることを意味する。従って、第１の態様に係る電界放出素子によれば、ゲート電極層１５及び第２ゲート電極層１１に印加する電圧が比較的低くても、十分な放出電子電流を得ることができる。即ち、低消費電力、且つ、高電子放出効率の電界放出素子が実現され、かかる電界放出素子を組み込んだ表示装置の輝度や画質が改善される。
【００７０】
（実施の形態２）
実施の形態２は、第２の態様に係る電界放出素子の代表例として、図５の（Ｅ）に示した構成を有する電界放出素子と、この電界放出素子を製造するための第２の態様に係る製造方法、並びに、かかる電界放出素子を組み込んだ第２の態様に係る表示装置に関する。図１２に、電界放出素子の開口部１６の近傍のみを一部破断して示し、図１３に、図１２のＡ−Ａ線断面を開口部の周辺も含めて示す。これらの図面の参照符号は、図６及び図７と共通である。実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、電子放出層１３に設けられた第３開口部１３Ａの開口端部に逆テーパ壁が形成されている点である。
【００７１】
以下、上述した第２の態様に係る電界放出素子の製造方法について、図１４を参照しながら説明する。
【００７２】
［工程−２００］
先ず、［工程−１００］乃至［工程−１３０］までを実施の形態１と同様に行う。次に、第２開口部１４Ａの底部に露出したタンタルから成る電子放出層１３を、一例として下記の表１に示す条件に従ってドライエッチングし、第３開口部１３Ａを形成する。このエッチング条件により、図１４の（Ａ）に示すように、電子が放出される第３開口部１３Ａの開口端部の厚さは、先端部に向かって減少し、且つ、第３開口部１３Ａの開口端部の下縁は上縁よりも後退する（即ち、電子放出層１３の縁部に逆テーパ壁が形成される）。尚、図示される例では、第１開口部１５Ａの開口端部と第３開口部１３Ａの開口端部が揃った位置にあるが、揃っていなくても構わない。
【００７３】
［表１］
エッチング装置：平行平板型ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置
ＳＦ6流量 ：１００ＳＣＣＭ
圧力 ：１０Ｐａ
ＲＦパワー ：２００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
【００７４】
［工程−２１０］
次に、図１４の（Ｂ）に示すように、第３開口部１３Ａの底部に露出した第２絶縁層１２を等方的にエッチングし、第４開口部１２Ａを形成し、開口部１６を完成させる。ここでは、前述の絶縁層１４の場合と同様に、緩衝化フッ酸水溶液を用いたウェットエッチングを行う。このときの第４開口部１２Ａの壁面の後退量は、エッチング時間の長短により制御可能であるが、ここでは、第４開口部１２Ａの上端部を電子放出層１３に設けられた第３開口部１３Ａの開口端部の上縁、更には下縁よりも後退させる。このとき、先に形成された第２開口部１４Ａの壁面は更に後退する。開口部１６の完成後にレジスト層１９を除去すると、図１３に示した構成を得ることができる。
【００７５】
以上のようにして作製された電界放出素子は、実際には多数集合してカソードパネルを構成する。このカソードパネルを、図１５に示すようにアノードパネル２３と組み合わせ、外部電源回路に接続すると、第２の態様に係る表示装置３１が完成される。図１５の参照符号は図１１の参照符号と共通なので、各部の詳しい説明は省略する。また、表示装置３１の製造方法は、表示装置３０に関連して前述した通りである。
【００７６】
かかる表示装置３１の構成においては、開口部１６に臨む電子放出層１３の縁部にゲート電極層１５及び第２ゲート電極層１１から電界が加わり、量子トンネル効果によって第３開口部１３Ａの開口端部（より具体的には、上縁）から電子が放出される。電子が放出される第３開口部の開口端部の厚さが先端部に向かって減少し、且つ、該開口端部に逆テーパ壁が形成されていることにより、開口端部から放出された大部分の電子（ｅ1）は、そのまま開口部１６の外に引き出され、図示されない蛍光体層に直接向かう。このように、蛍光体層へ直接向かう電子（ｅ1）はエネルギー分布幅が狭いので、その軌道を所定の蛍光体層に衝突するように制御することは比較的容易である。一方、第２ゲート電極層１１の表面で反跳された後に蛍光体層に向かう反跳電子（ｅ2）や、電子放出層１３から放出された電子の衝突により第２ゲート電極層１１の表面から叩き出された二次電子（ｅ3）も若干存在する。但し、第２の態様に係る表示装置においては、かかる反跳電子（ｅ2）や二次電子（ｅ3）の存在割合は蛍光体層へ直接向かう電子（ｅ1）に比べて極めて少ないので、放出電子軌道の収束性に悪影響を与える虞れは殆どない。
【００７７】
尚、ゲート電極層１５及び第２ゲート電極層１１に印加される電圧の大小関係は、絶縁層１４と第２絶縁層１２の厚さに応じて選択することができる。例えば、絶縁層１４の厚さをｔ1、第２絶縁層１２の厚さをｔ2、ゲート電極層１５への印加電圧をＶ1、第２ゲート電極層１１への印加電圧をＶ2とすると、Ｖ1とＶ2とを略等しいレベルに設定する場合にはｔ1＜ｔ2とすることが好ましく、ｔ1とｔ2とを略等しく設定する場合にはＶ1＞Ｖ2とすることが好ましい。
【００７８】
以上、発明の実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に何ら限定されるものではない。電界放出素子の構造の細部、電界放出素子を適用した表示装置の構造の細部は例示であり、適宜変更、選択、組合せが可能である。例えば、図２に示した第１の態様に係るあらゆる電界放出素子を、いずれも第１の態様に係る表示装置の構成要素として適用することができ、図５に示した第２の態様に係るあらゆる電界放出素子を、いずれも第２の態様に係る表示装置の構成要素として適用することができる。その他、電界放出素子の構造の細部、製造方法における加工条件や使用した材料等の詳細事項に関しても、適宜変更、選択、組合せが可能である。
【００７９】
例えば、第１の態様に係る電界放出素子に関しては、上述の図２の（Ｅ）に示した以外の電界放出素子も、基本的には同様のプロセスで製造することができる。例えば、図２の（Ｂ）に示した電界放出素子を製造するには、先ず図１６の（Ａ）に示すように、支持体１０上に電子放出層１３、絶縁層１４、及びゲート電極層１５をこの順に形成する。この場合、支持体１０は絶縁基板から成る。次に、上述のプロセスに従ってゲート電極層１５、絶縁層１４、及び電子放出層１３のエッチングを順次行い、開口部１６を形成する（図１６の（Ｂ）参照）。次に、第３開口部１３Ａの直下の絶縁基板の部分に凹部２４を形成する（図１６の（Ｃ）参照）。この凹部２４は、上端部を第３開口部１３Ａの開口端部と揃える場合には異方的なドライエッチングにより形成可能であるが、上端部を第３開口部１３Ａの下縁よりも後退させる場合には、等方的なエッチング、又は、異方的なエッチングと等方的なエッチングとの組合せにより形成可能である。
【００８０】
また、図２の（Ｆ）に示した第１の態様に係る電界放出素子を製造するには、先ず、図１７の（Ａ）に示すように、絶縁基板１００上に第２ゲート電極層１１、第２絶縁層１２、電子放出層１３、絶縁層１４、ゲート電極層１５、層間絶縁層２５、及び収束電極層２６をこの順に形成する。ここでは、絶縁基板１００、第２ゲート電極層１１、及び、第２絶縁層１２の積層体が、支持体１０に相当する。次に、図１７の（Ｂ）に示すように、収束電極層２６をエッチングして第６開口部２６Ａを形成し、更に、層間絶縁層２５をエッチングして第５開口部２５Ａを形成する。図１７の（Ｂ）では、収束電極層２６に設けられる第６開口部２６Ａよりも、層間絶縁層２５に設けられる第５開口部２５Ａの方が小さくなっているが、これは、電子放出層１３とほぼ同レベルの電圧が印加される収束電極層２６から電子放出を起こさせないための工夫である。また、収束電極層２６を広く開口することにより、最終的な開口部１６の近傍における電界凸レンズの焦点距離を長くする効果もある。かかる構成を達成するためには、例えば、第６開口部２６Ａを形成するためにエッチング・マスクと第５開口部２５Ａを形成するためのエッチング・マスクを別工程にて作製すればよい。この後のプロセスは前述の通りに行う。以上によって、図１８に示す電界放出素子を得ることができる。
【００８１】
第１の態様に係る電界放出素子の製造方法においては、［工程−１００］で電子放出層１３を形成する際に、電子放出層１３の縁部の形状によっては第３開口部１３Ａを同時に形成することができる。この形成は、前述のようなタングステン膜の製膜とパターニングとの組合せ以外に、印刷法によって行うことができる。［工程−１００］で第３開口部１３Ａを形成した場合には、［工程−１３０］に引き続き、［工程−１４０］を省略して、［工程−１５０］を実行すればよい。同様に、例えば印刷法により、ゲート電極層１５と第１開口部１５Ａを同時に形成することができ、また、収束電極層２６と第６開口部２６Ａを同時に形成することができる。
【００８２】
第２の態様に係る電界放出素子に関しては、上述の図５の（Ｅ）に示した以外の電界放出素子も、基本的には同様のプロセスで製造することができる。例えば、図５の（Ｂ）に示した電界放出素子を製造するには、先ず図１９の（Ａ）に示すように、支持体１０上に電子放出層１３、絶縁層１４、及びゲート電極層１５をこの順に形成する。この場合、支持体１０は絶縁基板から成る。次に、上述のプロセスに従ってゲート電極層１５、絶縁層１４、及び電子放出層１３のエッチングを順次行い、開口部１６を形成する（図１９の（Ｂ）参照）。次に、第３開口部１３Ａの直下の絶縁基板の部分に凹部２４を形成する（図１９の（Ｃ）参照）。この凹部２４は、上端部を第３開口部１３Ａの開口端部の上縁と揃える場合には異方的なドライエッチングにより形成可能であるが、上端部を第３開口部１３Ａの開口端部の上縁よりも後退させる場合には、等方的なエッチングにより形成可能である。尚、図５の（Ｂ）に示した構成によれば、凹部２４を形成した後に再び電子放出層１３のエッチングを行うことにより、第３開口部１３Ａの開口端部のテーパ角θを更に減少させることもできる。これは、電子放出層１３の下方にも空間が形成されることにより、電子放出層１３の裏側へエッチング種が回り込むことが可能となるためである。
【００８３】
更に、図５の（Ｆ）に示した第２の態様に係る電界放出素子を製造するには、前述のようにして図１７の（Ｂ）に示した状態を得た後、図２０に示すように、第１開口部１５Ａ、第２開口部１４Ａ、第３開口部１３Ａ、第４開口部１２Ａを順次形成すればよい。尚、第２の態様に係る電界放出素子の製造方法においては、例えば印刷法により、収束電極層２６と第６開口部２６Ａの形成を同時に行ったり、ゲート電極層１５と第１開口部１５Ａの形成を同時に行うことができる。
【００８４】
また、第１の態様及び第２の態様に係る製造方法においては、図８の（Ａ）に示した段階で電子放出層１３に複数の溝部を形成しておき、該電子放出層１３のエッチングにより第３開口部１３Ａを形成した際に、開口端部に凹凸を形成することも可能である。かかる開口端部には、先鋭に尖った部位が溝部の本数に応じて複数形成され、これら尖った部位の各々から電子が放出されるようになるので、放出電子電流が増大し、ひいては、かかる電界放出素子を組み込んだ表示装置の輝度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】第１の態様に係る電界放出素子の基本的な構成を示す概念図である。
【図２】図１の基本的な構成に加え、支持体の凹部及び／又は収束電極層を追加した、第１の態様に係る電界放出素子の他の構成を示す概念図である。
【図３】第２の態様に係る電界放出素子の基本的な構成を示す概念図である。
【図４】第２の態様に係る電界放出素子の他の基本的な構成を示す概念図である。
【図５】図３の基本的な構成に加え、支持体の凹部及び／又は収束電極層を追加した、第２の態様に係る電界放出素子の他の構成を示す概念図である。
【図６】図２の（Ｅ）の構成を有する電界放出素子の開口部を一部破断して示す斜視図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線断面を開口部周辺の構造と共に示す模式的端面図である。
【図８】第１の態様及び第２の態様に係る製造方法に共通の工程を示す模式的端面図であり、（Ａ）はゲート電極層の形成までを終了した状態、（Ｂ）は電極接続に用いられる第１孔部と第２孔部を形成した状態を示す。
【図９】図８に引き続き、第１の態様及び第２の態様に係る製造方法に共通の工程を示す模式的端面図であり、（Ａ）は第１開口部を形成した状態、（Ｂ）は第２開口部を形成した状態を示す。
【図１０】図９に引き続き、第１の態様に係る製造方法に含まれる工程を示す模式的端面図であり、（Ａ）は第３開口部を形成した状態、（Ｂ）は第４開口部を形成した状態を示す。
【図１１】第１の態様に係る表示装置の構成例を示す概念図である。
【図１２】図５の（Ｅ）の構成を有する電界放出素子の開口部を一部破断して示す斜視図である。
【図１３】図１２のＡ−Ａ線断面を開口部周辺の構造と共に示す模式的端面図である。
【図１４】図９に引き続き、第２の態様に係る製造方法に含まれる工程を示す模式的端面図であり、（Ａ）は第３開口部を形成した状態、（Ｂ）は第４開口部を形成した状態を示す。
【図１５】第２の態様に係る表示装置の構成例を示す概念図である。
【図１６】図２の（Ｂ）の構成を有する電界放出素子の製造工程を示す模式的端面図である。
【図１７】図２の（Ｆ）の構成を有する電界放出素子の製造工程を示す模式的端面図である。
【図１８】図１７に引き続き、図２の（Ｆ）の構成を有する電界放出素子の製造工程を示す模式的端面図である。
【図１９】図５の（Ｂ）の構成を有する電界放出素子の製造工程を示す模式的端面図である。
【図２０】図１７に引き続き、図５の（Ｆ）の構成を有する電界放出素子の製造工程を示す模式的端面図である。
【図２１】スピント型素子を組み込んだ表示装置の一般的な構成例を示す模式的端面図である。
【図２２】従来のスピント型素子の製造方法の一例を説明するための模式的端面図であり、（Ａ）は開口部を形成した状態、（Ｂ）はゲート電極層上に剥離層を形成した状態をそれぞれ表す。
【図２３】図２２に引き続き従来のスピント型素子の製造方法の一例を説明するための模式的端面図であり、（Ａ）は金属層の成長に伴って円錐形の電子放出電極が形成された状態、（Ｂ）は不要の金属層を剥離層と共に除去した状態をそれぞれ表す。
【図２４】従来のエッジ型素子の一構成例を示す模式的端面図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０・・・支持体、１１・・・第２ゲート電極層、１２・・・第２絶縁層、１２Ａ・・・第４開口部、１３・・・電子放出層、１３Ａ・・・第３開口部、１４・・・絶縁層、１４Ａ・・・第２開口部、１５・・・ゲート電極層、１５Ａ・・・第１開口部、１６・・・開口部、１７・・・第１孔部、１８・・・第２孔部、２０・・・第１ゲート電極用電源、２１・・・第２ゲート電極用電源、２２・・・アノード用電源、２３・・・アノードパネル、２５・・・層間絶縁層、２５Ａ・・・第５開口部、２６・・・収束電極層、２６Ａ・・・第６開口部、３０，３１・・・表示装置、１００・・・絶縁基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出効率に優れた冷陰極電界電子放出素子及びその製造方法、並びに、かかる冷陰極電界電子放出素子が組み込まれた冷陰極電界電子放出表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在主流の陰極線管（ＣＲＴ）に代わる画像表示装置として、平面型（フラットパネル形式）の表示装置が種々検討されている。このような平面型の表示装置として、液晶表示装置（ＬＣＤ）、エレクトロルミネッセンス表示装置（ＥＬＤ）、プラズマ表示装置（ＰＤＰ）を例示することができる。また、熱的励起によらず固体から真空中に電子を放出することが可能な冷陰極電界電子放出表示装置、所謂フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）も提案されており、画面の明るさ及び低消費電力の観点から注目を集めている。
【０００３】
冷陰極電界電子放出表示装置（以下、単に、表示装置と称する場合がある）は、一般に、２次元マトリクス状に配列された各画素に対応して電子放出領域を有するカソードパネルと、この電子放出領域から放出された電子との衝突により励起されて発光する蛍光体層を有するアノードパネルとが、真空層を介して対向配置された構成を有する。カソードパネル上の各電子放出領域においては、例えば、複数の電子放出部が形成され、更に、電子放出部から電子を引き出すためのゲート電極層も形成されている。この電子放出部とゲート電極層を有する部分が冷陰極電界電子放出素子であり、以下、単に電界放出素子と称することがある。
【０００４】
かかる表示装置の構成において、低い駆動電圧で大きな放出電子電流を得るためには、例えば、電界放出素子の電子放出部の先端形状を鋭く尖らせた形状とすること、個々の電子放出部を微細化して、１画素に対応する区画内における電子放出部の存在密度を高めること、電子放出部の先端とゲート電極層との距離を短縮することが必要である。従って、これらを実現するために、従来より様々な構成を有する電界放出素子が提案されている。
【０００５】
かかる従来の電界放出素子の代表例の１つとして、電子放出部を円錐形の導電体から成る電子放出電極で構成した、所謂スピント（Ｓｐｉｎｄｔ）型電界放出素子（以下、スピント型素子と称する）が知られている。このスピント型素子を組み込んだ表示装置の概念図を、図２１に示す。この表示装置のカソードパネルは、絶縁基板４０上に形成されたカソード電極４１と、カソード電極上を含む絶縁基板４０上に形成された層間絶縁層４２と、層間絶縁層４２上に形成されたゲート電極層４４と、ゲート電極層４４及び層間絶縁層４２に設けられた開口部４３内に形成された円錐形の電子放出電極４５から構成されている。通常、電子放出電極４５が所定数集まって１つの電子放出領域が形成され、この電子放出領域が、２次元マトリクス状に配列された画素の１つに対応する。一方、アノードパネルは、基板５０上に所定のパターンにより蛍光体層５２が形成され、この蛍光体層５２がアノード電極５１で覆われた構造を有する。
【０００６】
電子放出電極４５とゲート電極層４４との間に電圧を印加すると、その結果生じた電界によって電子放出電極４５の先端から電子が引き出される。この電子は、アノードパネルのアノード電極５１に引き付けられ、アノード電極５１と基板５０との間に形成された発光体層である蛍光体層５２に衝突する。この結果、蛍光体層５２が励起されて発光し、所望の画像を得ることができる。この冷陰極電界電子放出素子の動作は、基本的にゲート電極層４４に印加される電圧によって制御される。
【０００７】
かかるスピント型素子の製造方法の概要を、以下、図２２及び図２３を参照して説明する。この製造方法は、基本的には、円錐形の電子放出電極４５を金属材料の垂直蒸着により形成する方法である。即ち、開口部４３に対して蒸着粒子は垂直に入射するが、開口端部付近に形成されるオーバーハング状の堆積物による遮蔽効果を利用して、開口部４３の底部に到達する蒸着粒子の量を漸減させ、円錐形の堆積物である電子放出電極４５を自己整合的に形成する。ここでは、不要なオーバーハング状の堆積物の除去を容易とするために、ゲート電極層４４上に剥離層４６を予め形成しておく方法について説明する。尚、以下の説明中、任意のプロセスが終了した段階における絶縁基板とその上に形成されたあらゆる構造物を、「基体」と総称することがある。
【０００８】
［工程−１０］
先ず、図２２の（Ａ）に示すように、例えばガラス基板から成る絶縁基板４０の上にニオブ（Ｎｂ）から成るカソード電極４１を形成した後、その上にＳｉＯ2から成る層間絶縁層４２、導電材料から成るゲート電極層４４を順次製膜し、次に、このゲート電極層４４と層間絶縁層４２をパターニングすることにより開口部４３を形成する。
【０００９】
［工程−２０］
次に、図２２の（Ｂ）に示すように、基体に対してアルミニウムを斜め蒸着することにより、剥離層４６を形成する。このとき、基体の法線に対する蒸着粒子の入射角を十分に大きく選択することにより、開口部４３の底部にアルミニウムを殆ど堆積させることなく、ゲート電極層４４の上に剥離層４６を形成することができる。この剥離層４６は、開口部４３の開口端部から庇状に張り出しており、これにより開口部４３が実質的に縮径される。
【００１０】
［工程−３０］
次に、この基体の全面に例えばモリブデン（Ｍｏ）を垂直蒸着する。このとき、図２３の（Ａ）に示すように、剥離層４６上でオーバーハング形状を有する金属層４５Ａが成長するに伴い、開口部４３の実質的な直径が次第に縮小されるので、開口部４３の底部において堆積に寄与する蒸着粒子は、次第に開口部４３の中央付近を通過するものに限られるようになる。この結果、開口部４３の底部には円錐形の堆積物が形成され、この円錐形の堆積物が電子放出電極４５となる。
【００１１】
［工程−４０］
その後、図２３の（Ｂ）に示すように、電気化学的プロセス及び湿式プロセスによって剥離層４６をゲート電極層４４の表面から剥離し、ゲート電極層４４の上方の金属層４５Ａを選択的に除去する。
【００１２】
ところで、図２３の（Ｂ）に示した構造を有する電界放出素子の電子放出特性は、開口部４３の上端部を成すゲート電極層４４の縁部４３Ａから電子放出電極４５の先端までの距離に大きく依存する。そして、この距離は、開口部４３の形状の加工精度や直径の寸法精度、［工程−３０］において製膜される金属層４５Ａの膜厚精度、更にはその下地となる剥離層４６の形状精度に大きく依存する。
【００１３】
しかしながら、実際に大面積の基体の全体に亙って均一な膜厚を有する金属層４５Ａを垂直蒸着により形成したり、均一な寸法の庇形状を有する剥離層４６を斜め蒸着により形成することは、極めて困難であり、或る程度の面内ばらつきやロット間ばらつきは避けられない。このばらつきにより、表示装置の画像表示特性、例えば画像の明るさにばらつきが生じる。しかも、大型の蒸着装置が必要とされること、スループットが低下すること、大面積に亙って形成された剥離層４６を除去する際に、その残渣がカソードパネル汚染の原因となり、表示装置の製造歩留まりを低下させること、といった問題もある。
【００１４】
一方、スピント型素子のこれらの欠点を解消し得る電界放出素子として、所謂エッジ型電界放出素子（以下、エッジ型素子と称する）が知られている。これは、スピント型素子における円錐形の電子放出電極の代わりに、絶縁基板に平行な面内に形成された電子放出層を絶縁層を介してゲート電極層と積層し、この積層体に開口部を設け、この開口部の壁面に露出した電子放出層の先端部（エッジ）を何らかの方法で壁面から突出させ、電子放出部として利用するタイプの素子である。
【００１５】
例えば、米国特許第５２１４３４７号公報には、電子放出層の上下を絶縁層を介した一対のゲート電極層で挟み、電子放出層に強い電界を与えることが可能な構造が開示されている。即ち、図２４に示すように、絶縁基板６０上に導電層６１、第１絶縁層６２、下部ゲート電極層６３、第２絶縁層６４、電子放出層６５、第３絶縁層６６、及び上部ゲート電極層６７を順次積層した積層体に、開口部６８が設けられている。そして、開口部６８の壁面から突出した電子放出層６５の先端部から放出された電子ｅが、開口部６８の外部へ導出される。電子放出層６５の先端部は、等方性エッチングで膜厚を減ずることにより曲率半径が減少され、これにより電子放出密度が高められている。尚、これらの上部ゲート電極層６７、電子放出層６５、下部ゲート電極層６３に対面配置されている導電膜６９は、電子放出層６５から放出された電子を引き付けるための電極を構成し、また、開口部６８の底部に露出している導電層６１は、表面保護、電位の安定化、絶縁破壊やノイズの防止を目的として設けられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
エッジ型素子では、ゲート電極層の縁部から電子放出層までの距離は絶縁層の厚さでほぼ決定することができるため、この距離の制御はスピント型素子に比べて遥かに容易であり、この意味において、スピント型素子の欠点はかなり解消されている。従って、大面積の基体上でも電子放出部の電子放出特性を均一化することが容易となり、表示装置の画像の明るさも均一化され得る。しかし、電子放出部の形状が、スピント型素子におけるような先鋭な「点」ではなく「線」である上、かかる電子放出部の形状に付随してゲート電極層がスピント型素子の場合よりも大きく開口しているため、開口部の内部における電界の閉じ込め効果が弱くなり、電子放出部の近傍において電界集中が生じ難い。換言すれば、エッジ型素子はスピント型素子と比較して電子放出効率が低く、スピント型素子と同等の放出電子電流を得るためにはより高いゲート電圧を要するので、駆動電圧の低減、ひいては消費電力の低減が困難である。
【００１７】
また、電子放出電極の先端がアノード電極の方向に向かって先鋭化され、放出された電子がアノード電極へ向かってほぼ直進できるスピント型素子とは異なり、エッジ型素子の電子放出部は開口部の側壁から突出しているために、放出された電子の一部は電子放出層の面内よりも下方、即ち、アノード電極とは反対方向へも進行し得る。このように下方へ進行した電子が開口部内で何らかの障害物に衝突すると、自らが反跳電子となったり、あるいは、障害物の表面から２次電子が叩き出される。これら反跳電子や２次電子も、アノード電極に引き付けられて蛍光体層に衝突すれば、最終的に発光に寄与することができる。しかし、反跳電子や２次電子のエネルギー分布幅は、電子放出電極の先端から放出されて直接にアノード電極へ向かって進行した電子のエネルギー分布幅に比べて広いため、冷陰極電界電子放出素子の構造によっては、所定の蛍光体層に衝突するように反跳電子や２次電子の軌道を制御することが困難となる場合がある。
【００１８】
本発明の第１の目的は、電子放出効率を向上させることができ、しかも、製造が比較的容易なエッジ型の冷陰極電界電子放出素子及びその製造方法、並びに、かかる冷陰極電界電子放出素子を組み込んだ冷陰極電界電子放出表示装置を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、電子放出層から放出された電子の軌道の収束性に優れ、しかも、製造が比較的容易なエッジ型の冷陰極電界電子放出素子及びその製造方法、並びに、かかる冷陰極電界電子放出素子を組み込んだ冷陰極電界電子放出表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の第１の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子は、
電子放出層と、絶縁層と、ゲート電極層とが、この順に支持体上に積層され、
ゲート電極層から支持体の表面に達する開口部が設けられ、
開口部は、ゲート電極層に設けられた第１開口部と、絶縁層に設けられた第２開口部と、電子放出層に設けられた第３開口部とから成り、
第１開口部と第２開口部と第３開口部とは連通しており、
電子が放出される第３開口部の開口端部は、第１開口部の開口端部よりも後退していることを特徴とする。ここで、第１開口部の開口端部とは、換言すれば、開口部に臨むゲート電極層の縁部である。また、第３開口部の開口端部とは、換言すれば、開口部に臨む電子放出層の縁部である。従って、第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子の重要なポイントの１つは、換言すれば、開口部において、電子放出層の縁部がゲート電極層の縁部よりも後退した構造にある。
【００２０】
上記の第２の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子は、
電子放出層と、絶縁層と、ゲート電極層とが、この順に支持体上に積層され、
ゲート電極層から支持体の表面に達する開口部が設けられ、
開口部は、ゲート電極層に設けられた第１開口部と、絶縁層に設けられた第２開口部と、電子放出層に設けられた第３開口部とから成り、
第１開口部と第２開口部と第３開口部とは連通しており、
電子が放出される第３開口部の開口端部の厚さは先端部に向かって減少し、且つ、第３開口部の開口端部の下縁は上縁よりも後退していることを特徴とする。換言すれば、第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子の重要なポイントの１つは、電子を放出する部分、即ち、開口部に臨む電子放出層の縁部が逆テーパ壁を有する構造にある。
【００２１】
尚、本明細書中において、或る開口部の開口端部の「突出」とは、その開口部が設けられた層の延在方向に沿って該開口端部が開口部の中央により近い位置にあることを表す。また、或る開口部の開口端部の「後退」とは、その開口部が設けられた層の延在方向に沿って該開口端部が開口部の中央からより遠い位置にあることを表す。
【００２２】
第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子において、第３開口部の開口端部が第１開口部の開口端部よりも後退しているということは、第１開口部の支持体への射影像が、第３開口部の支持体への射影像に含まれることを意味する。つまり、かかる冷陰極電界電子放出素子の開口部を支持体に垂直な方向から見た場合、電子放出層の縁部はゲート電極層の陰に完全に隠れている。従って、ゲート電極層に設けられた第１開口部が或る程度大きくとも、電界の閉じ込め効果が低下し難く、電子放出層の縁部近傍における電界強度を高く維持することができ、ゲート電圧の低減、更には消費電力の低減が可能となる。また、第３開口部の開口端部が第２開口部の下端部から突出しているということは、第３開口部の支持体への射影像が、第２開口部の下端部の支持体への射影像に含まれることを意味する。
【００２３】
第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子において、第１開口部の開口端部に対する第３開口部の開口端部の電子放出層の延在方向に沿った後退量をＸ、ゲート電極層と電子放出層との間の距離をＹとしたとき、０＜Ｘ／Ｙ≦１．７であることが好ましい。Ｘ／Ｙの値が１．７を超えると、電子放出層から放出された電子がゲート電極に衝突し、後述の表示装置に組み込まれた場合にアノード電極側へ電子が引き出せなくなる虞れが大きい。より好ましくは、０．４≦Ｘ／Ｙ≦１．２である。第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子に関しては、第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子と異なり、第３開口部の開口端部の上縁と第１開口部の開口端部との位置関係については、特に限定されない。
【００２４】
第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、第３開口部の開口端部が第２開口部の下端部から突出していることが好適であり、また、第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、第３開口部の開口端部の上縁が第２開口部の下端部から突出していることが好適である。即ち、第３開口部の開口端部は実際に電子を放出する部分であり、この部分が絶縁層に埋没しているよりも突出している方が、電子放出効率を高める観点から好ましいからである。
【００２５】
第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、第３開口部の開口端部の厚さは、その先端部に向かって減少していることが一層好適である。第３開口部の開口端部の厚さは、上縁から下縁に向かって減少しても（即ち、順テーパ状）、下縁から上縁に向かって減少しても（即ち、逆テーパ状）、あるいは上縁と下縁の両方から減少してもよく、また、減少の様式は単調であっても段階的であってもよい。
【００２６】
一方、第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、第３開口部の開口端部は、支持体に垂直な断面でみた場合、該開口端部の上縁に対する下縁の後退の度合いに応じたテーパ角θを有する。このテーパ角θの大きさは、概ね１０°≦θ≦８０°であることが好ましく、更に、放出電子軌道の収束性や電子放出層の機械的強度を考慮して２０°≦θ≦７０°であることが一層好ましい。開口端部のテーパ角θが概ね上記範囲内にある場合に、電界強度を開口端部近傍で効果的に高めると共に、上縁から放出された電子の大部分を開口部外へ指向させることが可能となる。尚、第３開口部の開口端部の厚さの減少様式は、単調であっても段階的であってもよい。
【００２７】
第１の態様及び第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子において、第１開口部、第２開口部及び第３開口部の平面形状は相似形であることが望ましいが、上述の幾何学的条件が満たされる限りにおいて、異なる平面形状を有していてもよい。これら開口部の平面形状としては、円、楕円、あるいはｎ角形（但し、ｎは３以上の整数）を挙げることができる。ｎ角形は、正ｎ角形でなくてもよく、また、その頂点は丸みを帯びていてもよい。ｎ角形の中では、矩形が特に好適であり、この場合、矩形の長辺をおおよそ１００μｍ、短辺を数μｍ〜１０μｍ程度に選択することが好ましい。
【００２８】
第１の態様及び第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、上述の電子放出層とゲート電極層以外の他の電極層が無くてもよいし、あってもよい。他の電極層が無い場合とは、支持体が、例えば絶縁基板である場合である。この場合の冷陰極電界電子放出素子は、例えば絶縁基板の上に電子放出層が直に形成され、第３開口部の底部に絶縁基板が露出した構成を有する。第３開口部の直下の絶縁基板の部分には、凹部が設けられていてもよい。このときの凹部の平面形状は、第３開口部の平面形状と合同又は相似であることが好ましいが、絶縁基板表面への第３開口部の射影像が絶縁基板表面への凹部の射影像に包含される限りにおいて、凹部と第３開口部の平面形状が互いに異なっていても構わない。
【００２９】
第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子が凹部を有する場合、開口部の最深部は電子放出層に設けられる第３開口部で終わらず、電子放出層の更に下側へ延びることになる。このことは、開口部の近傍に強い電界凸レンズ効果を顕すような電界強度分布を形成し、以て、放出電子軌道の収束性を高める上で効果的である。また、第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子において、凹部の上端部を第３開口部の開口端部よりも後退させる（即ち、開口部に臨む電子放出層の縁部を凹部の壁面から突出させる）ことにより、電子放出効率を高めることができる。
【００３０】
第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃えるか、若しくは該上縁よりも後退させることにより、開口部に臨む電子放出層の縁部を凹部の側壁面から突出させることができ、電子放出効率を高めることができる。第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子において、凹部の上端部と第３開口部の開口端部の下縁との位置関係については、特に限定されない。即ち、第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子において、凹部の上端部は、第３開口部の開口端部の上縁と下縁の中間位置にあってもよいし、第３開口部の開口端部の下縁と揃っていてもよいし、第３開口部の開口端部の下縁より更に後退していてもよい。
【００３１】
一方、第１の態様及び第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子において、他の電極層がある場合とは、（ａ）電子放出層の下側に第２ゲート電極層がある場合、（ｂ）ゲート電極層の上側に収束電極層がある場合、あるいは、（ｃ）これら第２ゲート電極層と収束電極層の双方がある場合である。
【００３２】
（ａ）及び（ｃ）の場合の冷陰極電界電子放出素子おいて、支持体は、絶縁基板と、絶縁基板上に形成された第２ゲート電極層と、第２ゲート電極層上を含む絶縁基板上に形成された第２絶縁層とから成り、開口部は、第３開口部と連通するごとく第２絶縁層に設けられた第４開口部を更に含み、第４開口部の底部には第２ゲート電極層が露出している構成とすることができる。この構成においては、第２ゲート電極層がゲート電極層と協働して電子放出層に電界を加えることが可能となる。従って、ゲート電極層が単独で設けられている場合と比べて、電子放出層に強い電界を加えることが可能となる。第４開口部の平面形状は、第３開口部の平面形状と合同又は相似であることが好ましい。更に、第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部よりも後退させることにより、電子放出層の縁部を開口部の側壁面から突出させることができ、電子放出効率を高めることができる。また、第３開口部の開口端部が逆テーパ壁を有する第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子においては、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃えるか、若しくは該上縁より後退させることにより、電子放出層の縁部を第４開口部の側壁面から突出させることができ、電子放出効率を高めることができる。いずれの態様に係る冷陰極電界電子放出素子においても、第４開口部の平面形状は第３開口部の平面形状と相似であることが好ましいが、絶縁基板表面への第４開口部の上端部の射影像に、絶縁基板表面への第３開口部の射影像が包含される限りにおいて、第４開口部と第３開口部の平面形状が互いに異なっていても構わない。
【００３３】
（ｂ）及び（ｃ）の場合の冷陰極電界電子放出素子においては、ゲート電極層上を含む絶縁層上に形成された層間絶縁層、及び、この層間絶縁層上に形成された収束電極層を更に備え、開口部は、第１開口部と連通するごとく層間絶縁層に設けられた第５開口部と、第５開口部と連通するごとく収束電極層に設けられた第６開口部とを更に含む構成とすることもできる。ゲート電極層に設けられる第１開口部と、収束電極層に設けられる第６開口部との平面形状や大小関係については特に限定されないが、電界凸レンズ効果を得る観点から、第６開口部は第１開口部よりも大きいことが望ましい。また、収束電極層の電位は電子放出層の電位と同一あるいは近似しているため、収束電極層の開口端部が開口部内に突出していると、収束電極層から下向き、即ち、ゲート電極層側へ向かって電子放出が生ずる虞れがある。そこで、第６開口部の開口端部は、層間絶縁層に設けられる第５開口部の開口端部よりも後退させておくことが好適である。
【００３４】
上述の第１の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子の製造方法（以下、第１の態様に係る製造方法と称する）は、上述の第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子を製造するための方法であり、
（イ）支持体上に、電子放出層及び絶縁層を形成する工程と、
（ロ）絶縁層上にゲート電極層を形成する工程と、
（ハ）少なくとも下端部がゲート電極に設けられた第１開口部の開口端部よりも後退した第２開口部を絶縁層に形成する工程と、
（ニ）第２開口部の底部に露出した電子放出層をエッチングすることにより、開口端部が第１開口部の開口端部よりも後退した第３開口部を電子放出層に形成する工程、
から成ることを特徴とする。
【００３５】
また、上述の第２の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子の製造方法（以下、第２の態様に係る製造方法と称する）は、上述の第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子を製造するための方法であり、
（イ）支持体上に、電子放出層及び絶縁層を形成する工程と、
（ロ）絶縁層上にゲート電極層を形成する工程と、
（ハ）ゲート電極層に設けられた第１開口部に連通する第２開口部を絶縁層に形成する工程と、
（ニ）第２開口部の底部に露出した電子放出層をエッチングすることにより、開口端部の厚さが先端部に向かって減少し、且つ、開口端部の下縁が上縁よりも後退した第３開口部を電子放出層に形成する工程、
から成ることを特徴とする。
【００３６】
第１の態様及び第２の態様に係る製造方法においては、工程（ハ）で絶縁層に第２開口部が形成される前に、実際にはゲート電極層に第１開口部が形成されており、第２開口部は第１開口部に連通して形成される。第１開口部を、工程（ロ）においてゲート電極層を形成する際に同時に形成してもよいし、工程（ロ）の終了後、工程（ハ）に先立って形成してもよい。
【００３７】
第１の態様に係る製造方法において、工程（ハ）が終了した時点における第２開口部は、ゲート電極層の下に所謂アンダーカットが発生した状態で形成されており、しかも、第２開口部の壁面全体が、既にゲート電極層に形成されている第１開口部の開口端部より後退していることが好ましい。これにより、次の工程（ニ）のエッチングが終了した時点で、電子放出層に設けられた第３開口部の開口端部を第２開口部の下端部から突出させることができるからである。第２の態様に係る製造方法において、第１開口部の開口端部と第３開口部の開口端部との位置関係が特に規定されないので、工程（ハ）が終了した時点における第２開口部の壁面と第１開口部の開口端部との間の位置関係も特に規定されない。
【００３８】
第１の態様及び第２の態様に係る製造方法において、工程（ニ）における電子放出層のエッチングは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のように、イオンを主エッチング種とする条件下で行うことができる。通常、イオンを主エッチング種とするエッチングは、開口端部に垂直壁を形成する目的で行われる場合が多いが、イオンの平均自由行程が十分に長くなかったり、被エッチング物の自己バイアス又は印加バイアスが十分に大きくなかったり、イオンの質量が十分に大きくなかったり、プラズマを励起する高周波の周波数が比較的高い、といった諸条件や、被エッチング領域の隅部におけるエッチング種の滞留、散乱、側方マイグレーション等の現象によっては、第３開口部の開口端部に順テーパ壁（即ち、エッチングが深く進行するにつれて被エッチング面積が減少する方向へ傾斜した壁）が形成されたり、あるいは逆テーパ壁（即ち、エッチングが深く進行するにつれて被エッチング面積が増大する方向へ傾斜した壁）が形成される場合がある。特に、第２の態様に係るの製造方法においては、第３開口部の開口端部に逆テーパ壁が形成されるような電子放出層のエッチング条件を選択することが、プロセス上の１つのポイントとなる。
【００３９】
第１の態様及び第２の態様に係る製造方法において、支持体が絶縁基板から成る場合には、前記工程（ニ）の後に、
（ホ）第３開口部の直下の絶縁基板の部分に凹部を形成する工程、
を更に含んでいてもよい。これによって、開口部の最深部を電子放出層の下側へ延長することができ、開口部に臨む電子放出層の縁部の近傍に電界凸レンズ効果を効果的に顕す冷陰極電界電子放出素子を得ることができる。更に、第１の態様に係る製造方法の工程（ホ）では、絶縁基板を等方的にエッチングすることにより、凹部の上端部を第３開口部の開口端部よりも後退させてもよい。これにより、電子放出層に設けられた第３開口部の開口端部を開口部の側壁面から突出させることができ、電子放出効率を高めることが可能となる。また、第２の態様に係る製造方法の工程（ホ）では、絶縁基板をエッチングすることにより、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃えるか、若しくは、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁よりも後退させてもよい。凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃える場合には、異方的なエッチングを行えばよい。一方、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁よりも後退させる場合には、等方的なエッチングを行うか、又は、異方的なエッチングと等方的なエッチングとを組み合わせて行えばよい。尚、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁よりも後退させるケースには、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と下縁の中間位置とするケースや、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の下縁と揃えるケースや、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の下縁よりも更に後退させるケースが含まれる。これにより、電子放出層の縁部を凹部の側壁面から突出させることができ、電子放出効率を高めることが可能となる。
【００４０】
第１の態様及び第２の態様に係る製造方法において、支持体が、絶縁基板と、絶縁基板上に形成された第２ゲート電極層と、第２ゲート電極層上を含む絶縁基板上に形成された第２絶縁層とから成る場合には、前記工程（ニ）の後に、
（ヘ）第３開口部の直下の第２絶縁層の部分に第４開口部を形成し、該第４開口部の底部に第２ゲート電極層を露出させる工程、
が更に含まれていてもよい。第４開口部の底部に露出した第２ゲート電極層は、ゲート電極層と協働して電子放出層に電界を加えることができる。更に、第１の態様に係る製造方法の工程（ヘ）では、第２絶縁層を等方的にエッチングすることにより、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部よりも後退させることが好適である。これにより、電子放出層の先端部（あるいは縁部）を開口部の側壁面から突出させることができ、電子放出効率を高めることができる。また、第２の態様に係る製造方法の工程（ヘ）では、第２絶縁層をエッチングすることにより、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃えるか、若しくは、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁よりも後退させてもよい。第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃える場合には、異方的なエッチングを行えばよい。一方、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁よりも後退させる場合には、等方的なエッチングを行うか、又は、異方的なエッチングと等方的なエッチングとを組み合わせて行えばよい。尚、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁よりも後退させるケースには、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と下縁の中間位置とするケースや、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の下縁と揃えるケースや、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の下縁よりも更に後退させるケースが含まれる。これにより、電子放出層の先端部（あるいは縁部）を開口部の側壁面から突出させることができ、電子放出効率を高めることができる。
【００４１】
第１の態様及び第２の態様に係る製造方法において、収束電極層を設ける場合には、前記工程（イ）に続き、全面に層間絶縁層を形成し、更に、層間絶縁層上に収束電極層を形成した後、層間絶縁層に第５開口部を形成することができる。実際には、層間絶縁層に第５開口部が形成される前に、収束電極層に第６開口部が形成されており、第５開口部は第６開口部に連通して形成される。第６開口部は、収束電極層を形成する際に同時に形成されてもよいし、収束電極層を形成した後に形成されてもよい。第５開口部を形成した後は、工程（ハ）において、該第５開口部に連通する第２開口部を絶縁層に形成する。第２開口部の形成前には、前述したように、実際にはゲート電極層に第１開口部が形成されている。つまり、第６開口部の形成は第５開口部の形成と連続して行われるとは限られず、また、第１開口部の形成は第２開口部の形成と連続して行われるとは限られない。従って、層間絶縁層と収束電極層を設ける場合、各開口部の形成順としては下記の４通りのケースが存在することになる。尚、カッコ内に記した第１開口部は、ゲート電極層の形成時に同時に形成されたことを表し、カッコ内に記した第６開口部は、収束電極層の形成時に同時に形成されたことを表す。
（１）第６開口部→第５開口部→第１開口部→第２開口部
（２）（第１開口部）→第６開口部→第５開口部→第２開口部
（３）（第６開口部）→第５開口部→第１開口部→第２開口部
（４）（第１開口部）→（第６開口部）→第５開口部→第２開口部
【００４２】
収束電極層は、アノード電極と電子放出層との間の電位差が数キロボルトのオーダーであって両電極間の距離が比較的長い、所謂高電圧タイプの表示装置において、電子放出層から放出された電子の軌道の発散を防止するために設けられる部材である。放出電子軌道の収束性を高めることによって、画素間の光学的クロストークを低減し、以て、更に画素を微細化して表示画面の高精細度化を図ることが可能となる。尚、収束電極層は、必ずしも各冷陰極電界電子放出素子毎に個別に設けられていなくても良く、例えば２次元マトリクス状に配列された冷陰極電界電子放出素子の列毎、あるいは行毎に帯状に設けられていてもよい。収束電極層が帯状に設けられている場合、第６開口部の平面形状は帯状となり、他の第１開口部乃至第５開口部の平面形状とは異なることになる。
【００４３】
第１の態様及び第２の態様に係る製造方法の工程（ハ）において、絶縁層に第２開口部を形成する典型的な手法としては、絶縁層をエッチングする手法を挙げることができる。特に、第１の態様に係る製造方法においては、少なくとも第２開口部の下端部がゲート電極層に設けられた第１開口部の開口端部よりも後退している必要があるので、最初から等方的なエッチングを行って第２開口部を形成するか、あるいは異方的なエッチングを行って垂直壁を有する第２開口部を形成した後、等方的なエッチングを行って垂直壁を後退させることが好ましい。第１の態様に係る製造方法の工程（ホ）及び工程（ヘ）でも、等方的なエッチングを行うことが好適である。第２の態様に係る製造方法の工程（ホ）及び工程（ヘ）では、凹部や第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃える場合には、異方的なエッチングを行えばよい。一方、凹部や第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁よりも後退させる場合には、最初から等方的なエッチングを行って凹部や第４開口部を形成するか、あるいは異方的なエッチングを行って垂直壁を有する凹部や第４開口部を形成した後、等方的なエッチングを行って垂直壁を後退させることが好ましい。尚、等方的なエッチングは、典型的には、ウェットエッチング、あるいはラジカルが主エッチング種となるドライエッチング条件下で行うことができる。等方性エッチングでは、被エッチング物の除去が深さ方向と面内方向の双方に進行するので、形成される第２開口部、凹部あるいは第４開口部の壁面が後退するが、このときの後退量は、エッチング時間の長短により制御することができる。
【００４４】
上述の第１の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る冷陰極電界電子放出表示装置は、第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子を組み込んだ装置であり、
複数の画素から構成され、
各画素は、複数の冷陰極電界電子放出素子と、複数の冷陰極電界電子放出素子に対向して基板上に設けられたアノード電極層及び蛍光体層から構成され、
各冷陰極電界電子放出素子は、電子放出層と、絶縁層と、ゲート電極層とが、この順に支持体上に積層されて成る冷陰極電界電子放出表示装置であって、
ゲート電極層から支持体の表面に達する開口部が設けられ、
開口部は、ゲート電極層に設けられた第１開口部と、絶縁層に設けられた第２開口部と、電子放出層に設けられた第３開口部とから成り、
第１開口部と第２開口部と第３開口部とは連通しており、
電子が放出される第３開口部の開口端部は、第１開口部の開口端部よりも後退していることを特徴とする。
【００４５】
また、上述の第２の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る冷陰極電界電子放出表示装置は、第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子を組み込んだ装置であり、
複数の画素から構成され、
各画素は、複数の冷陰極電界電子放出素子と、複数の冷陰極電界電子放出素子に対向して基板上に設けられたアノード電極層及び蛍光体層から構成され、
各冷陰極電界電子放出素子は、電子放出層と、絶縁層と、ゲート電極層とが、この順に支持体上に積層されて成る冷陰極電界電子放出表示装置であって、
ゲート電極層から支持体の表面に達する開口部が設けられ、
開口部は、ゲート電極層に設けられた第１開口部と、絶縁層に設けられた第２開口部と、電子放出層に設けられた第３開口部とから成り、
第１開口部と第２開口部と第３開口部とは連通しており、
電子が放出される第３開口部の開口端部の厚さは先端部に向かって減少し、且つ、第３開口部の開口端部の下縁は上縁よりも後退していることを特徴とする。
【００４６】
第１の態様及び第２の態様に係る冷陰極電界電子放出表示装置は、第１の態様及び第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子に関連して述べた凹部や第２ゲート電極や収束電極をいずれも備えていてよく、また、各開口部の開口端部に関する規定についても、第１の態様及び第２の態様に係る冷陰極電界電子放出素子に関連して述べた規定が全て当てはまる。
【００４７】
第１の態様及び第２の態様に係る冷陰極電界電子放出表示装置において、支持体あるいは基板は、少なくとも表面が絶縁性を有する材料により構成されていればよく、ガラス基板、表面に絶縁膜が形成されたガラス基板、石英基板、表面に絶縁膜が形成された石英基板、表面に絶縁膜が形成された半導体基板を挙げることができる。
【００４８】
本発明のあらゆる態様に係る冷陰極電界電子放出素子及びその製造方法、並びに、冷陰極電界電子放出表示装置において、ゲート電極層あるいは第２ゲート電極層は、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｕ）等の金属層、又はこれらの金属元素を含む合金層、又はこれらの金属元素を含む化合物（例えばＴｉＮ等の窒化物や、ＷＳｉ2、ＭｏＳｉ2、ＴｉＳｉ2、ＴａＳｉ2等のシリサイド）、カーボン、ＩＴＯ（インジウム・錫酸化物）等の透明導電材料、あるいは不純物を含有するシリコンやダイヤモンド等の半導体を用いて形成することができる。ゲート電極層あるいは第２ゲート電極層の形成方法としては、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、イオン・プレーティング法等の通常の薄膜作製プロセスの他、印刷法を利用することができる。ゲート電極層を構成する材料と、第２ゲート電極層を構成する材料は同じであっても、異なっていてもよい。
【００４９】
本発明のあらゆる態様に係る冷陰極電界電子放出素子及びその製造方法、並びに、冷陰極電界電子放出表示装置において、電子放出層は、典型的には、タングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）等の高融点金属材料、あるいはダイヤモンド等の半導体を用いて形成される。ゲート電極層のエッチングによって第１開口部を形成する場合には、電子放出層に第３開口部を形成する際の電子放出層のエッチング速度がゲート電極層のエッチング速度よりも早くなるように、電子放出層を構成する材料とゲート電極層を構成する材料の組合せを選択することが好ましく、例えば電子放出層を構成する材料としてタンタル（Ｔａ）、ゲート電極層を構成する材料としてタングステン（Ｗ）を例示することができ、あるいは又、例えば電子放出層を構成する材料としてタングステン（Ｗ）、ゲート電極層を構成する材料としてタンタル（Ｔａ）を例示することができる。厚さは、おおよそ０．０５〜０．５μｍ、好ましくは０．１〜０．３μｍの範囲とすることが望ましいが、かかる範囲に限定するものではない。
【００５０】
本発明のあらゆる態様に係る冷陰極電界電子放出素子及びその製造方法、並びに、冷陰極電界電子放出表示装置において、絶縁層、第２絶縁層あるいは層間絶縁層の構成材料としては、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ガラスペースト硬化物を単独あるいは適宜組み合わせて使用することができる。絶縁層、第２絶縁層あるいは層間絶縁層の形成には、ＣＶＤ法、塗布法、スパッタリング法、印刷法等の公知の手法が利用できる。
【発明の効果】
【００５１】
以上のように、本発明の第１の態様に係る電界放出素子は、電子放出層の上に絶縁層を挟んでゲート電極層が形成された所謂エッジ型素子であって、開口部に臨む電子放出層の縁部がゲート電極層の縁部よりも後退している。それ故、開口部内に電界を効率的に集中させることができ、低いゲート電圧にて高い放出電子電流を得ることが可能となる。また、本発明の第２の態様に係る電界放出素子は、同じくエッジ型素子であって、開口部に臨む電子放出層の縁部に逆テーパ壁が形成されている。それ故、電子放出層の縁部から放出された電子の大部分を、開口部外へ直接に指向させることが可能となる。
【００５２】
第１の態様に係る電界放出素子を組み込んだ第１の態様に係る表示装置、及び、第２の態様に係る電界放出素子を組み込んだ第２の態様に係る表示装置においては、低消費電力であるにも拘わらず、高輝度、高画質を達成することができる。また、本発明の第１の態様及び第２の態様に係る電界放出素子の製造方法によれば、開口部の断面形状や、開口部に臨む電子放出層の縁部の形状を自己整合的に得ることができ、再現性やスループットの観点から極めて有利であり、また表示画面の大面積化にも対応可能な高い信頼性を有するプロセスが実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
本発明の第１の態様に係る冷陰極電界電子放出素子（以下、電界放出素子と称する）の最も基本的な構成を図１に示す。この電界放出素子においては、絶縁基板から成る支持体１０上に電子放出層１３、絶縁層１４、ゲート電極層１５がこの順に積層された積層体に、開口部１６が設けられている。この開口部１６は、互いに連通する相似形の３つの開口部、即ち、ゲート電極層１５に設けられた第１開口部１５Ａ、絶縁層１４に設けられた第２開口部１４Ａ、及び、電子放出層１３に設けられた第３開口部１３Ａから成る。そして、開口部１６の底部には支持体１０が露出している。また、第２開口部の壁面は、第１開口部１５Ａの開口端部より後退しており、この壁面から第３開口部の開口端部（即ち、開口部１６に臨む電子放出層１３の縁部）が突出している。尚、１画素は、かかる開口部１６が複数個集合して構成されている。
【００５４】
図１の（Ａ）には、電子放出層１３に設けられた第３開口部１３Ａの開口端部が、支持体１０に対して垂直な垂直壁を有する構成を示す。この場合、第３開口部１３Ａの垂直壁が、開口端部の先端部となる。一方、図１の（Ｂ）には、電子放出層１３に設けられた第３開口部１３Ａの開口端部が支持体１０に対して傾斜した傾斜壁を有する構成を示す。この場合、開口部１６の中央へ向かって最も大きく突出した傾斜壁の部分が、開口端部の先端部となる。尚、図１の（Ｂ）には、傾斜壁が順テーパ壁である構成を示しているが、逆テーパ壁であってもよい。第３開口部１３Ａの開口端部が垂直壁、傾斜壁のいずれを有するにしても、第１の態様に係る電界放出素子は、図１の（Ｃ）に示すように、電子が放出される第３開口部１３Ａの開口端部が第１開口部１５Ａの開口端部よりも後退している点に特色を有する。換言すれば、第１開口部１５Ａの支持体１０への射影像は、第３開口部１３Ａの支持体１０への射影像に包含される。尚、図１の（Ｃ）には、第１開口部１５Ａと第３開口部１３Ａの平面形状が矩形である場合を図示したが、他の任意の平面形状が可能である。
【００５５】
第１の態様に係る電界放出素子は、第１開口部１５Ａと第３開口部１３Ａとの間に上述の幾何学的条件が成り立つ限りにおいて、図２に示すような構成も可能である。図２の（Ａ）は図１の（Ａ）に示した構成と同じである。図２の（Ｂ）には、支持体１０が絶縁基板から成る場合に、第３開口部１３Ａの直下の絶縁基板の部分に凹部２４を設けた構成を示す。この凹部２４の上端部は、第３開口部１３Ａの開口端部よりも後退している。図２の（Ｃ）には、図２の（Ａ）の構成に層間絶縁層２５と収束電極層２６を設けた構成を示す。ゲート電極層１５を含む絶縁層１４上に形成された層間絶縁層２５には、第１開口部１５Ａと連通するごとく第５開口部２５Ａが設けられている。また、層間絶縁層２５上に形成された収束電極層２６には、第５開口部２５Ａと連通するごとく第６開口部２６Ａが設けられている。図２の（Ｄ）には、図２の（Ｃ）に示した構成に凹部２４を追加した構成を示す。図２の（Ｅ）には、支持体１０が絶縁基板１００と、絶縁基板１００上に形成された第２ゲート電極層１１と、第２ゲート電極層１１上を含む絶縁基板１００に形成された第２絶縁層１２から成り、開口部１６が更に第２絶縁層１２に設けられた第４開口部１２Ａを含む構成を示す。第４開口部１２Ａの上端部は、第３開口部１３Ａの開口端部よりも後退している。図２の（Ｆ）には、図２の（Ｅ）に示した構成に層間絶縁層２５と収束電極層２６を追加した構成を示す。
【００５６】
第２の態様に係る電界放出素子の最も基本的な構成を図３及び図４に示す。図３の（Ａ）は電界放出素子の模式的端面図であり、図３の（Ｂ）は上面図である。図３と図４の参照符号は図１の参照符号と共通であるので、各部の詳細な説明は省略する。電子が放出される第３開口部１３Ａの開口端部の厚さは、先端部に向かって減少し、且つ、第３開口部１３Ａの開口端部の下縁は上縁よりも後退している。即ち、第３開口部１３Ａの開口端部は逆テーパ壁を有する。表示装置の１画素は、かかる開口部１６が複数個集合して構成されている。図３の（Ａ）に示す電界放出素子の第３開口部１３Ａの開口端部の上縁は、第１開口部１５Ａの開口端部と揃っている。従って、図３の（Ｂ）における第１開口部１５Ａと第３開口部１３Ａとは重なっている。
【００５７】
図４の（Ａ）には、第３開口部１３Ａの開口端部の上縁が第１開口部１５Ａの開口端部よりも後退した電界放出素子を示し、図４の（Ｃ）には、第３開口部１３Ａの開口端部の上縁が第１開口部１５Ａの開口端部より突出した電界放出素子を示す。図４の（Ｂ）は、これらの電界放出素子をまとめて示す上面図である。尚、図３及び図４に示した第１開口部１５Ａと第３開口部１３Ａの平面形状は、矩形に限られず、他の任意の平面形状であってよい。
【００５８】
第２の態様に係る電界放出素子は、電子が放出される第３開口部１３Ａの開口端部の厚みが先端部に向かって減少し、且つ、開口端部の下縁が上縁よりも後退している限りにおいて、図５に示すような構成も可能である。図５の（Ａ）は図３の（Ａ）に示した構成と同じである。図５の（Ｂ）には、支持体１０が絶縁基板から成る場合に、第３開口部１３Ａの直下の絶縁基板の部分に凹部２４を設けた構成を示す。この凹部２４の上端部が、第３開口部１３Ａの開口端部の上縁と下縁の中間位置にある場合を実線で示し、下縁よりも更に後退している場合を破線で示す。図５の（Ｃ）には、図５の（Ａ）の構成に層間絶縁層２５と収束電極層２６を設けた構成を示す。ゲート電極層１５を含む絶縁層１４上に形成された層間絶縁層２５には、第１開口部１５Ａと連通するごとく第５開口部２５Ａが設けられている。また、層間絶縁層２５上に形成された収束電極層２６には、第５開口部２５Ａと連通するごとく第６開口部２６Ａが設けられている。図５の（Ｄ）には、図５の（Ｃ）に示した構成に凹部２４を追加した構成を示す。実線と破線による表現は、図５の（Ｂ）と同様である。図５の（Ｅ）には、支持体１０が絶縁基板１００と、絶縁基板１００上に形成された第２ゲート電極層１１と、第２ゲート電極層１１上を含む絶縁基板１００に形成された第２絶縁層１２から成り、開口部１６が更に第２絶縁層１２に設けられた第４開口部１２Ａを含む構成を示す。第４開口部１２Ａの上端部が、第３開口部１３Ａの開口端部の上縁と下縁の中間位置にある場合を実線で示し、下縁よりも更に後退している場合を破線で示す。図５の（Ｆ）には、図５の（Ｅ）に示した構成に層間絶縁層２５と収束電極層２６を追加した構成を示す。実線と破線による表現は、図５の（Ｅ）と同様である。
【００５９】
（実施の形態１）
実施の形態１は、第１の態様に係る電界放出素子の代表例として、図２の（Ｅ）に示した構成を有する電界放出素子と、この電界放出素子を製造するための第１の態様に係る製造方法、並びに、かかる電界放出素子を組み込んだ第１の態様に係る冷陰極電界電子放出表示装置（以下、表示装置と称する）に関する。図６に、電界放出素子の開口部１６の近傍のみを一部破断して示し、図７に、図６のＡ−Ａ線断面を開口部の周辺も含めて示す。絶縁層１４には、第２開口部１４Ａの形成領域に隣接する領域において、電子放出層１３に所定の電圧を供給するための電気的接続部となる第１孔部１７が形成されている。また、第２絶縁層１２には、第４開口部１２Ａの形成領域に隣接する領域において、第２ゲート電極層１１に所定の電圧を供給するための電気的接続部となる第２孔部１８が形成されている。
【００６０】
以下、上述した第１の態様に係る電界放出素子の製造方法について、図８乃至図１０を参照しながら説明する。尚、以下の説明中、任意のプロセスが終了した段階における絶縁基板とその上に形成されたあらゆる構造物を、「基体」と総称することがある。
【００６１】
［工程−１００］
先ず、一例としてガラス基板から成る絶縁基板１００の上に、スパッタリングにより厚さ約０．２μｍのタングステン膜を製膜し、通常の手順に従ってフォトリソグラフィ及びドライエッチングによりこのタングステン膜をパターニングし、第２ゲート電極層１１を形成する。次に、全面に第２絶縁層１２を形成する。ここでは一例として、ＳｉＯ2を約０．３μｍの厚さに形成する。更に、この第２絶縁層１２の上にタンタルから成る導電膜を０．２μｍの厚さに形成した後、所定の形状にパターニングし、電子放出層１３を形成する。次に、全面に例えばＳｉＯ2から成る絶縁層１４を例えば約０．７μｍの厚さに形成する。更に、この絶縁層１４の上に厚さ約０．２μｍのタングステン膜を形成し、所定のパターニングを行うことによって、ゲート電極層１５を得ることができる。ゲート電極層１５の構成材料や厚さについては、第２ゲート電極層１１と同じであってもよいし、異なっていてもよい。ここまでのプロセスが終了した状態を、図８の（Ａ）に示す。
【００６２】
［工程−１１０］
次に、図８の（Ｂ）に示すように、絶縁層１４及び第２絶縁層１２のパターニングを行い、電子放出層１３に所定の電圧を供給するための電気的接続部となる第１孔部１７と、第２ゲート電極層１１に所定の電圧を供給するための電気的接続部となる第２孔部１８とを形成する。
【００６３】
［工程−１２０］
次に、基体の全面にレジスト層１９を形成し、更にこのレジスト層１９に、ゲート電極層１５の表面を一部露出させるようにレジスト開口部１９Ａを形成する。このレジスト開口部１９Ａは、通常のフォトリソグラフィ及び現像処理を経て形成することができ、デフォーカス露光や化学増幅系レジスト材料における難溶化層の形成といった特殊な手法や微妙な制御は一切不要である。レジスト開口部１９Ａの平面形状は矩形であり、図９の（Ａ）にはその短辺方向の断面が示されている。矩形の長辺はおおよそ１００μｍ、短辺は数μｍ〜１０μｍである。続いて、レジスト開口部１９Ａの底部に露出したゲート電極層１５を例えばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法により異方的にエッチングし、第１開口部１５Ａを形成する。ここではゲート電極層１５をタングステンを用いて構成しているので、ＳＦ6ガスを用いたエッチングにより、開口端部に垂直壁を有する第１開口部１５Ａを形成することができる（図９の（Ａ）参照）。
【００６４】
［工程−１３０］
次に、図９の（Ｂ）に示すように、第１開口部１５Ａの底部に露出した絶縁層１４を等方的にエッチングし、第２開口部１４Ａを形成する。ここでは、絶縁層１４をＳｉＯ2を用いて形成しているので、緩衝化フッ酸水溶液を用いたウェットエッチングを行う。第２開口部１４Ａの壁面は、第１開口部１５Ａの開口端部よりも後退するが、このときの後退量はエッチング時間の長短により制御することができる。ここでは、第２開口部１４Ａの下端部が第１開口部１５Ａの開口端部よりも後退するまで、ウェットエッチングを行う。尚、絶縁層１４のエッチングは、ドライエッチングとウェットエッチングを組み合わせて行ってもよい。例えば、異方的なドライエッチングにより垂直壁を有する第２開口部１４Ａを形成した後、等方的なウェットエッチングにより垂直壁を後退させてもよい。かかる２種類のエッチングの組合せは、後述の第２絶縁層１２のエッチングにも同様に適用できる。
【００６５】
［工程−１４０］
次に、図１０の（Ａ）に示すように、第２開口部１４Ａの底部に露出した電子放出層１３を、イオンを主エッチング種とする条件によりドライエッチングし、第３開口部１３Ａを形成する。これにより、第３開口部１３Ａの開口端部には、第２開口部１４Ａの下端部とほぼ揃った位置にて垂直壁が形成される。エッチング・ガスとしては、ＳＦ6を用いることができる。但し、プラズマ中の主エッチング種の中にも垂直以外の角度を有する入射成分が存在し、あるいは、第１開口部の開口端部における散乱によって斜め入射成分が生成する場合には、電子放出層１３の縁部の中で、第１開口部１５Ａの垂直投影像によって遮蔽される領域にも或る程度の確率で主エッチング種が入射する。このような場合には、第３開口部１３Ａの開口端部に図１の（Ｂ）に示したような順テーパ壁が形成される。即ち、開口部１６に臨む電子放出層１３の縁部の厚さが、突出方向の先端部に向けて薄くなり、先端部が先鋭化される。
【００６６】
［工程−１５０］
次に、図１０の（Ｂ）に示すように、第３開口部１３Ａの底部に露出した第２絶縁層１２を等方的にエッチングし、第４開口部１２Ａを形成し、開口部１６を完成させる。ここでは、前述の第２絶縁層１４の場合と同様に、緩衝化フッ酸水溶液を用いたウェットエッチングを行う。第４開口部１２Ａの壁面は第３開口部１３Ａの開口端部よりも後退する。このときの後退量はエッチング時間の長短により制御可能であるが、第４開口部１２Ａの上端部を電子放出層１３に設けられた第３開口部１３Ａの開口端部よりも後退させる必要がある。このとき、先に形成された第２開口部１４Ａの壁面は更に後退する。尚、開口部１６の完成後にレジスト層１９を除去すると、図７に示した構成を得ることができる。
【００６７】
以上のようにして作製された電界放出素子は、実際には多数集合してカソードパネルを構成する。このカソードパネルを、図１１に示すようにアノードパネル２３と組み合わせ、外部電源回路に接続すると、第１の態様に係る表示装置３０が完成される。カソードパネルとアノードパネル２３との間の空間は、高真空とされている。実際の表示装置の構成においては、アノードパネルの周縁部とカソードパネルの周縁部とがスペーサ及び／又は枠体を介して接合され、これら両パネル間の空間が排気されている。また、アノードパネル２３には、図示は省略するが、所定のパターンに形成された蛍光体層とアノード電極層が設けられている。外部電源回路には第１ゲート電極用電源２０、第２ゲート電極用電源２１、アノード用電源２２が含まれ、第２ゲート電極層１１及びゲート電極層１５に例えばパルス状の正電圧（例えば０〜１００ボルト）、アノードパネル２３のアノード電極層（図示せず）にこれより大きな正電圧が印加される。尚、例えば、第２ゲート電極層１１にパルス状の正電圧を印加し、ゲート電極層１５に一定の正電圧を印加してもよい。また、電子放出層１３には負電圧が印加され、あるいは又、接地される。
【００６８】
アノードパネル２３とカソードパネルとを周縁部において接着して表示装置を製造する際、周縁部はフリットガラスや低融点金属材料のみによって接着されていてもよいし、あるいは枠体を介して接着されていてもよい。枠体を用いる場合の枠体とアノードパネル２３との間の接着や、枠体とカソードパネルとの間の接着も、フリットガラスや低融点金属材料を用いて行うことができる。ここで、低融点金属材料の「低融点」とは、概ね４００°Ｃの温度範囲を指し、該材料は、インジウム、インジウム系合金、錫系はんだ、鉛系はんだ、亜鉛系はんだの中から適宜選択することができる。かかる低融点金属材料は、フリットガラスに比べて脱ガスを生じにくいため、表示装置の内部空間の真空度を長期間に亘り維持し、以て、表示装置の長寿命化を図る上で好適である。表示装置の製造に際しては、例えば、セラミックスやガラスから作製された高さ約１ｍｍの枠体（図示せず）を用意し、枠体とアノードパネル２３とカソードパネルとをフリットガラスを用いて仮接着した後、約４５０゜Ｃで１０〜３０分焼成すればよい。その後、表示装置の内部空間を１０-4Ｐａ程度の真空度となるまで排気し、適当な方法で封止する。あるいは、真空槽内で枠体とアノードパネル２３とカソードパネルとをフリットガラスや低融点金属材料、更には枠体を用いて接着してもよく、この場合には、接着と同時に表示装置の内部が高真空となるので、後工程における排気が不要となる。
【００６９】
かかる表示装置３０の構成においては、開口部１６に臨む電子放出層１３の縁部にゲート電極層１５及び第２ゲート電極層１１から電界が加わり、量子トンネル効果によって電子放出層１３の縁部から電子が放出される。放出された電子の一部（ｅ1）は、そのまま開口部１６から図示されない蛍光体層に向かい、他の一部は第２ゲート電極層１１の表面で反跳された反跳電子（ｅ2）となって蛍光体層に向かう。電子放出層１３から放出された電子の衝突により第２ゲート電極層１１の表面から二次電子放出が生ずることもあり、かかる二次電子（ｅ3）も蛍光体層に向かう。これらの電子ｅ1，ｅ2，ｅ3のいずれも、最終的には蛍光体層を励起させこれを発光させることに寄与する。第１の態様に係る電界放出素子は、ゲート電極層１５に設けられた第１開口部１５Ａにより開口部１６の電子の出口に相当する部分が狭められているため、開口部１６の内部において電界が効果的に閉じこめられる。この状態は、等電位線を用いて表現すれば、等電位線の間隔が電子放出層１３の縁部近傍で密となっており、電子放出層１３の縁部に効率的に強電界が加わることを意味する。従って、第１の態様に係る電界放出素子によれば、ゲート電極層１５及び第２ゲート電極層１１に印加する電圧が比較的低くても、十分な放出電子電流を得ることができる。即ち、低消費電力、且つ、高電子放出効率の電界放出素子が実現され、かかる電界放出素子を組み込んだ表示装置の輝度や画質が改善される。
【００７０】
（実施の形態２）
実施の形態２は、第２の態様に係る電界放出素子の代表例として、図５の（Ｅ）に示した構成を有する電界放出素子と、この電界放出素子を製造するための第２の態様に係る製造方法、並びに、かかる電界放出素子を組み込んだ第２の態様に係る表示装置に関する。図１２に、電界放出素子の開口部１６の近傍のみを一部破断して示し、図１３に、図１２のＡ−Ａ線断面を開口部の周辺も含めて示す。これらの図面の参照符号は、図６及び図７と共通である。実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、電子放出層１３に設けられた第３開口部１３Ａの開口端部に逆テーパ壁が形成されている点である。
【００７１】
以下、上述した第２の態様に係る電界放出素子の製造方法について、図１４を参照しながら説明する。
【００７２】
［工程−２００］
先ず、［工程−１００］乃至［工程−１３０］までを実施の形態１と同様に行う。次に、第２開口部１４Ａの底部に露出したタンタルから成る電子放出層１３を、一例として下記の表１に示す条件に従ってドライエッチングし、第３開口部１３Ａを形成する。このエッチング条件により、図１４の（Ａ）に示すように、電子が放出される第３開口部１３Ａの開口端部の厚さは、先端部に向かって減少し、且つ、第３開口部１３Ａの開口端部の下縁は上縁よりも後退する（即ち、電子放出層１３の縁部に逆テーパ壁が形成される）。尚、図示される例では、第１開口部１５Ａの開口端部と第３開口部１３Ａの開口端部が揃った位置にあるが、揃っていなくても構わない。
【００７３】
［表１］
エッチング装置：平行平板型ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置
ＳＦ6流量 ：１００ＳＣＣＭ
圧力 ：１０Ｐａ
ＲＦパワー ：２００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）
【００７４】
［工程−２１０］
次に、図１４の（Ｂ）に示すように、第３開口部１３Ａの底部に露出した第２絶縁層１２を等方的にエッチングし、第４開口部１２Ａを形成し、開口部１６を完成させる。ここでは、前述の絶縁層１４の場合と同様に、緩衝化フッ酸水溶液を用いたウェットエッチングを行う。このときの第４開口部１２Ａの壁面の後退量は、エッチング時間の長短により制御可能であるが、ここでは、第４開口部１２Ａの上端部を電子放出層１３に設けられた第３開口部１３Ａの開口端部の上縁、更には下縁よりも後退させる。このとき、先に形成された第２開口部１４Ａの壁面は更に後退する。開口部１６の完成後にレジスト層１９を除去すると、図１３に示した構成を得ることができる。
【００７５】
以上のようにして作製された電界放出素子は、実際には多数集合してカソードパネルを構成する。このカソードパネルを、図１５に示すようにアノードパネル２３と組み合わせ、外部電源回路に接続すると、第２の態様に係る表示装置３１が完成される。図１５の参照符号は図１１の参照符号と共通なので、各部の詳しい説明は省略する。また、表示装置３１の製造方法は、表示装置３０に関連して前述した通りである。
【００７６】
かかる表示装置３１の構成においては、開口部１６に臨む電子放出層１３の縁部にゲート電極層１５及び第２ゲート電極層１１から電界が加わり、量子トンネル効果によって第３開口部１３Ａの開口端部（より具体的には、上縁）から電子が放出される。電子が放出される第３開口部の開口端部の厚さが先端部に向かって減少し、且つ、該開口端部に逆テーパ壁が形成されていることにより、開口端部から放出された大部分の電子（ｅ1）は、そのまま開口部１６の外に引き出され、図示されない蛍光体層に直接向かう。このように、蛍光体層へ直接向かう電子（ｅ1）はエネルギー分布幅が狭いので、その軌道を所定の蛍光体層に衝突するように制御することは比較的容易である。一方、第２ゲート電極層１１の表面で反跳された後に蛍光体層に向かう反跳電子（ｅ2）や、電子放出層１３から放出された電子の衝突により第２ゲート電極層１１の表面から叩き出された二次電子（ｅ3）も若干存在する。但し、第２の態様に係る表示装置においては、かかる反跳電子（ｅ2）や二次電子（ｅ3）の存在割合は蛍光体層へ直接向かう電子（ｅ1）に比べて極めて少ないので、放出電子軌道の収束性に悪影響を与える虞れは殆どない。
【００７７】
尚、ゲート電極層１５及び第２ゲート電極層１１に印加される電圧の大小関係は、絶縁層１４と第２絶縁層１２の厚さに応じて選択することができる。例えば、絶縁層１４の厚さをｔ1、第２絶縁層１２の厚さをｔ2、ゲート電極層１５への印加電圧をＶ1、第２ゲート電極層１１への印加電圧をＶ2とすると、Ｖ1とＶ2とを略等しいレベルに設定する場合にはｔ1＜ｔ2とすることが好ましく、ｔ1とｔ2とを略等しく設定する場合にはＶ1＞Ｖ2とすることが好ましい。
【００７８】
以上、発明の実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に何ら限定されるものではない。電界放出素子の構造の細部、電界放出素子を適用した表示装置の構造の細部は例示であり、適宜変更、選択、組合せが可能である。例えば、図２に示した第１の態様に係るあらゆる電界放出素子を、いずれも第１の態様に係る表示装置の構成要素として適用することができ、図５に示した第２の態様に係るあらゆる電界放出素子を、いずれも第２の態様に係る表示装置の構成要素として適用することができる。その他、電界放出素子の構造の細部、製造方法における加工条件や使用した材料等の詳細事項に関しても、適宜変更、選択、組合せが可能である。
【００７９】
例えば、第１の態様に係る電界放出素子に関しては、上述の図２の（Ｅ）に示した以外の電界放出素子も、基本的には同様のプロセスで製造することができる。例えば、図２の（Ｂ）に示した電界放出素子を製造するには、先ず図１６の（Ａ）に示すように、支持体１０上に電子放出層１３、絶縁層１４、及びゲート電極層１５をこの順に形成する。この場合、支持体１０は絶縁基板から成る。次に、上述のプロセスに従ってゲート電極層１５、絶縁層１４、及び電子放出層１３のエッチングを順次行い、開口部１６を形成する（図１６の（Ｂ）参照）。次に、第３開口部１３Ａの直下の絶縁基板の部分に凹部２４を形成する（図１６の（Ｃ）参照）。この凹部２４は、上端部を第３開口部１３Ａの開口端部と揃える場合には異方的なドライエッチングにより形成可能であるが、上端部を第３開口部１３Ａの下縁よりも後退させる場合には、等方的なエッチング、又は、異方的なエッチングと等方的なエッチングとの組合せにより形成可能である。
【００８０】
また、図２の（Ｆ）に示した第１の態様に係る電界放出素子を製造するには、先ず、図１７の（Ａ）に示すように、絶縁基板１００上に第２ゲート電極層１１、第２絶縁層１２、電子放出層１３、絶縁層１４、ゲート電極層１５、層間絶縁層２５、及び収束電極層２６をこの順に形成する。ここでは、絶縁基板１００、第２ゲート電極層１１、及び、第２絶縁層１２の積層体が、支持体１０に相当する。次に、図１７の（Ｂ）に示すように、収束電極層２６をエッチングして第６開口部２６Ａを形成し、更に、層間絶縁層２５をエッチングして第５開口部２５Ａを形成する。図１７の（Ｂ）では、収束電極層２６に設けられる第６開口部２６Ａよりも、層間絶縁層２５に設けられる第５開口部２５Ａの方が小さくなっているが、これは、電子放出層１３とほぼ同レベルの電圧が印加される収束電極層２６から電子放出を起こさせないための工夫である。また、収束電極層２６を広く開口することにより、最終的な開口部１６の近傍における電界凸レンズの焦点距離を長くする効果もある。かかる構成を達成するためには、例えば、第６開口部２６Ａを形成するためにエッチング・マスクと第５開口部２５Ａを形成するためのエッチング・マスクを別工程にて作製すればよい。この後のプロセスは前述の通りに行う。以上によって、図１８に示す電界放出素子を得ることができる。
【００８１】
第１の態様に係る電界放出素子の製造方法においては、［工程−１００］で電子放出層１３を形成する際に、電子放出層１３の縁部の形状によっては第３開口部１３Ａを同時に形成することができる。この形成は、前述のようなタングステン膜の製膜とパターニングとの組合せ以外に、印刷法によって行うことができる。［工程−１００］で第３開口部１３Ａを形成した場合には、［工程−１３０］に引き続き、［工程−１４０］を省略して、［工程−１５０］を実行すればよい。同様に、例えば印刷法により、ゲート電極層１５と第１開口部１５Ａを同時に形成することができ、また、収束電極層２６と第６開口部２６Ａを同時に形成することができる。
【００８２】
第２の態様に係る電界放出素子に関しては、上述の図５の（Ｅ）に示した以外の電界放出素子も、基本的には同様のプロセスで製造することができる。例えば、図５の（Ｂ）に示した電界放出素子を製造するには、先ず図１９の（Ａ）に示すように、支持体１０上に電子放出層１３、絶縁層１４、及びゲート電極層１５をこの順に形成する。この場合、支持体１０は絶縁基板から成る。次に、上述のプロセスに従ってゲート電極層１５、絶縁層１４、及び電子放出層１３のエッチングを順次行い、開口部１６を形成する（図１９の（Ｂ）参照）。次に、第３開口部１３Ａの直下の絶縁基板の部分に凹部２４を形成する（図１９の（Ｃ）参照）。この凹部２４は、上端部を第３開口部１３Ａの開口端部の上縁と揃える場合には異方的なドライエッチングにより形成可能であるが、上端部を第３開口部１３Ａの開口端部の上縁よりも後退させる場合には、等方的なエッチングにより形成可能である。尚、図５の（Ｂ）に示した構成によれば、凹部２４を形成した後に再び電子放出層１３のエッチングを行うことにより、第３開口部１３Ａの開口端部のテーパ角θを更に減少させることもできる。これは、電子放出層１３の下方にも空間が形成されることにより、電子放出層１３の裏側へエッチング種が回り込むことが可能となるためである。
【００８３】
更に、図５の（Ｆ）に示した第２の態様に係る電界放出素子を製造するには、前述のようにして図１７の（Ｂ）に示した状態を得た後、図２０に示すように、第１開口部１５Ａ、第２開口部１４Ａ、第３開口部１３Ａ、第４開口部１２Ａを順次形成すればよい。尚、第２の態様に係る電界放出素子の製造方法においては、例えば印刷法により、収束電極層２６と第６開口部２６Ａの形成を同時に行ったり、ゲート電極層１５と第１開口部１５Ａの形成を同時に行うことができる。
【００８４】
また、第１の態様及び第２の態様に係る製造方法においては、図８の（Ａ）に示した段階で電子放出層１３に複数の溝部を形成しておき、該電子放出層１３のエッチングにより第３開口部１３Ａを形成した際に、開口端部に凹凸を形成することも可能である。かかる開口端部には、先鋭に尖った部位が溝部の本数に応じて複数形成され、これら尖った部位の各々から電子が放出されるようになるので、放出電子電流が増大し、ひいては、かかる電界放出素子を組み込んだ表示装置の輝度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】第１の態様に係る電界放出素子の基本的な構成を示す概念図である。
【図２】図１の基本的な構成に加え、支持体の凹部及び／又は収束電極層を追加した、第１の態様に係る電界放出素子の他の構成を示す概念図である。
【図３】第２の態様に係る電界放出素子の基本的な構成を示す概念図である。
【図４】第２の態様に係る電界放出素子の他の基本的な構成を示す概念図である。
【図５】図３の基本的な構成に加え、支持体の凹部及び／又は収束電極層を追加した、第２の態様に係る電界放出素子の他の構成を示す概念図である。
【図６】図２の（Ｅ）の構成を有する電界放出素子の開口部を一部破断して示す斜視図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線断面を開口部周辺の構造と共に示す模式的端面図である。
【図８】第１の態様及び第２の態様に係る製造方法に共通の工程を示す模式的端面図であり、（Ａ）はゲート電極層の形成までを終了した状態、（Ｂ）は電極接続に用いられる第１孔部と第２孔部を形成した状態を示す。
【図９】図８に引き続き、第１の態様及び第２の態様に係る製造方法に共通の工程を示す模式的端面図であり、（Ａ）は第１開口部を形成した状態、（Ｂ）は第２開口部を形成した状態を示す。
【図１０】図９に引き続き、第１の態様に係る製造方法に含まれる工程を示す模式的端面図であり、（Ａ）は第３開口部を形成した状態、（Ｂ）は第４開口部を形成した状態を示す。
【図１１】第１の態様に係る表示装置の構成例を示す概念図である。
【図１２】図５の（Ｅ）の構成を有する電界放出素子の開口部を一部破断して示す斜視図である。
【図１３】図１２のＡ−Ａ線断面を開口部周辺の構造と共に示す模式的端面図である。
【図１４】図９に引き続き、第２の態様に係る製造方法に含まれる工程を示す模式的端面図であり、（Ａ）は第３開口部を形成した状態、（Ｂ）は第４開口部を形成した状態を示す。
【図１５】第２の態様に係る表示装置の構成例を示す概念図である。
【図１６】図２の（Ｂ）の構成を有する電界放出素子の製造工程を示す模式的端面図である。
【図１７】図２の（Ｆ）の構成を有する電界放出素子の製造工程を示す模式的端面図である。
【図１８】図１７に引き続き、図２の（Ｆ）の構成を有する電界放出素子の製造工程を示す模式的端面図である。
【図１９】図５の（Ｂ）の構成を有する電界放出素子の製造工程を示す模式的端面図である。
【図２０】図１７に引き続き、図５の（Ｆ）の構成を有する電界放出素子の製造工程を示す模式的端面図である。
【図２１】スピント型素子を組み込んだ表示装置の一般的な構成例を示す模式的端面図である。
【図２２】従来のスピント型素子の製造方法の一例を説明するための模式的端面図であり、（Ａ）は開口部を形成した状態、（Ｂ）はゲート電極層上に剥離層を形成した状態をそれぞれ表す。
【図２３】図２２に引き続き従来のスピント型素子の製造方法の一例を説明するための模式的端面図であり、（Ａ）は金属層の成長に伴って円錐形の電子放出電極が形成された状態、（Ｂ）は不要の金属層を剥離層と共に除去した状態をそれぞれ表す。
【図２４】従来のエッジ型素子の一構成例を示す模式的端面図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０・・・支持体、１１・・・第２ゲート電極層、１２・・・第２絶縁層、１２Ａ・・・第４開口部、１３・・・電子放出層、１３Ａ・・・第３開口部、１４・・・絶縁層、１４Ａ・・・第２開口部、１５・・・ゲート電極層、１５Ａ・・・第１開口部、１６・・・開口部、１７・・・第１孔部、１８・・・第２孔部、２０・・・第１ゲート電極用電源、２１・・・第２ゲート電極用電源、２２・・・アノード用電源、２３・・・アノードパネル、２５・・・層間絶縁層、２５Ａ・・・第５開口部、２６・・・収束電極層、２６Ａ・・・第６開口部、３０，３１・・・表示装置、１００・・・絶縁基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子放出層と、絶縁層と、ゲート電極層とが、この順に支持体上に積層され、
ゲート電極層から支持体の表面に達する開口部が設けられ、
開口部は、ゲート電極層に設けられた第１開口部と、絶縁層に設けられた第２開口部と、電子放出層に設けられた第３開口部とから成り、
第１開口部と第２開口部と第３開口部とは連通しており、
電子が放出される第３開口部の開口端部の厚さは先端部に向かって減少し、且つ、第３開口部の開口端部の下縁は上縁よりも後退していることを特徴とする冷陰極電界電子放出素子。
【請求項２】
第３開口部の開口端部の上縁は、第２開口部の下端部から突出していることを特徴とする請求項１に記載の冷陰極電界電子放出素子。
【請求項３】
支持体は絶縁基板から成ることを特徴とする請求項１に記載の冷陰極電界電子放出素子。
【請求項４】
第３開口部の直下の絶縁基板の部分には凹部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の冷陰極電界電子放出素子。
【請求項５】
凹部の上端部は、第３開口部の開口端部の上縁と揃った位置にあるか、若しくは該上縁よりも後退していることを特徴とする請求項４に記載の冷陰極電界電子放出素子。
【請求項６】
支持体は、絶縁基板と、絶縁基板上に形成された第２ゲート電極層と、第２ゲート電極層上を含む絶縁基板上に形成された第２絶縁層とから成り、
開口部は、第３開口部と連通するごとく第２絶縁層に設けられた第４開口部を更に含み、
第４開口部の底部には第２ゲート電極層が露出していることを特徴とする請求項１に記載の冷陰極電界電子放出素子。
【請求項７】
第４開口部の上端部は、第３開口部の開口端部の上縁と揃った位置にあるか、若しくは該上縁よりも後退していることを特徴とする請求項６に記載の冷陰極電界電子放出素子。
【請求項８】
ゲート電極層上を含む絶縁層上に形成された層間絶縁層と、層間絶縁層上に形成された収束電極層とを更に備え、
開口部は、第１開口部と連通するごとく層間絶縁層に設けられた第５開口部と、第５開口部と連通するごとく収束電極層に設けられた第６開口部とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の冷陰極電界電子放出素子。
【請求項９】
（イ）支持体上に、電子放出層及び絶縁層を形成する工程と、
（ロ）絶縁層上にゲート電極層を形成する工程と、
（ハ）ゲート電極層に設けられた第１開口部に連通する第２開口部を絶縁層に形成する工程と、
（ニ）第２開口部の底部に露出した電子放出層をエッチングすることにより、開口端部の厚さが先端部に向かって減少し、且つ、開口端部の下縁が上縁よりも後退した第３開口部を電子放出層に形成する工程、
から成ることを特徴とする冷陰極電界電子放出素子の製造方法。
【請求項１０】
支持体は絶縁基板から成り、
前記工程（ニ）の後に、
（ホ）第３開口部の直下の絶縁基板の部分に凹部を形成する工程、
を更に有することを特徴とする請求項９に記載の冷陰極電界電子放出素子の製造方法。
【請求項１１】
工程（ホ）では、絶縁基板をエッチングすることにより、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃えるか、若しくは該上縁よりも後退させることを特徴とする請求項１０に記載の冷陰極電界電子放出素子の製造方法。
【請求項１２】
支持体は、絶縁基板と、絶縁基板上に形成された第２ゲート電極層と、第２ゲート電極層上を含む絶縁基板上に形成された第２絶縁層とから成り、
前記工程（ニ）の後に、
（ヘ）第３開口部の直下の第２絶縁層の部分に第４開口部を形成し、該第４開口部の底部に第２ゲート電極層を露出させる工程、
を更に有することを特徴とする請求項９に記載の冷陰極電界電子放出素子の製造方法。
【請求項１３】
工程（ヘ）では、第２絶縁層をエッチングすることにより、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃えるか、若しくは該上縁よりも後退させることを特徴とする請求項１２に記載の冷陰極電界電子放出素子の製造方法。
【請求項１４】
工程（イ）に続き、全面に層間絶縁層を形成し、更に、層間絶縁層上に収束電極層を形成する工程と、層間絶縁層に第５開口部を形成する工程を含み、
前記工程（ハ）においては、第５開口部に連通する第２開口部を絶縁層に形成することを特徴とする請求項９に記載の冷陰極電界電子放出素子の製造方法。
【請求項１５】
複数の画素から構成され、
各画素は、複数の冷陰極電界電子放出素子と、複数の冷陰極電界電子放出素子に対向して基板上に設けられたアノード電極層及び蛍光体層から構成され、
各冷陰極電界電子放出素子は、電子放出層と、絶縁層と、ゲート電極層とが、この順に支持体上に積層されて成る冷陰極電界電子放出表示装置であって、
ゲート電極層から支持体の表面に達する開口部が設けられ、
開口部は、ゲート電極層に設けられた第１開口部と、絶縁層に設けられた第２開口部と、電子放出層に設けられた第３開口部とから成り、
第１開口部と第２開口部と第３開口部とは連通しており、
電子が放出される第３開口部の開口端部の厚さは先端部に向かって減少し、且つ、第３開口部の開口端部の下縁は上縁よりも後退していることを特徴とする冷陰極電界電子放出表示装置。
【請求項１】
電子放出層と、絶縁層と、ゲート電極層とが、この順に支持体上に積層され、
ゲート電極層から支持体の表面に達する開口部が設けられ、
開口部は、ゲート電極層に設けられた第１開口部と、絶縁層に設けられた第２開口部と、電子放出層に設けられた第３開口部とから成り、
第１開口部と第２開口部と第３開口部とは連通しており、
電子が放出される第３開口部の開口端部の厚さは先端部に向かって減少し、且つ、第３開口部の開口端部の下縁は上縁よりも後退していることを特徴とする冷陰極電界電子放出素子。
【請求項２】
第３開口部の開口端部の上縁は、第２開口部の下端部から突出していることを特徴とする請求項１に記載の冷陰極電界電子放出素子。
【請求項３】
支持体は絶縁基板から成ることを特徴とする請求項１に記載の冷陰極電界電子放出素子。
【請求項４】
第３開口部の直下の絶縁基板の部分には凹部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の冷陰極電界電子放出素子。
【請求項５】
凹部の上端部は、第３開口部の開口端部の上縁と揃った位置にあるか、若しくは該上縁よりも後退していることを特徴とする請求項４に記載の冷陰極電界電子放出素子。
【請求項６】
支持体は、絶縁基板と、絶縁基板上に形成された第２ゲート電極層と、第２ゲート電極層上を含む絶縁基板上に形成された第２絶縁層とから成り、
開口部は、第３開口部と連通するごとく第２絶縁層に設けられた第４開口部を更に含み、
第４開口部の底部には第２ゲート電極層が露出していることを特徴とする請求項１に記載の冷陰極電界電子放出素子。
【請求項７】
第４開口部の上端部は、第３開口部の開口端部の上縁と揃った位置にあるか、若しくは該上縁よりも後退していることを特徴とする請求項６に記載の冷陰極電界電子放出素子。
【請求項８】
ゲート電極層上を含む絶縁層上に形成された層間絶縁層と、層間絶縁層上に形成された収束電極層とを更に備え、
開口部は、第１開口部と連通するごとく層間絶縁層に設けられた第５開口部と、第５開口部と連通するごとく収束電極層に設けられた第６開口部とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の冷陰極電界電子放出素子。
【請求項９】
（イ）支持体上に、電子放出層及び絶縁層を形成する工程と、
（ロ）絶縁層上にゲート電極層を形成する工程と、
（ハ）ゲート電極層に設けられた第１開口部に連通する第２開口部を絶縁層に形成する工程と、
（ニ）第２開口部の底部に露出した電子放出層をエッチングすることにより、開口端部の厚さが先端部に向かって減少し、且つ、開口端部の下縁が上縁よりも後退した第３開口部を電子放出層に形成する工程、
から成ることを特徴とする冷陰極電界電子放出素子の製造方法。
【請求項１０】
支持体は絶縁基板から成り、
前記工程（ニ）の後に、
（ホ）第３開口部の直下の絶縁基板の部分に凹部を形成する工程、
を更に有することを特徴とする請求項９に記載の冷陰極電界電子放出素子の製造方法。
【請求項１１】
工程（ホ）では、絶縁基板をエッチングすることにより、凹部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃えるか、若しくは該上縁よりも後退させることを特徴とする請求項１０に記載の冷陰極電界電子放出素子の製造方法。
【請求項１２】
支持体は、絶縁基板と、絶縁基板上に形成された第２ゲート電極層と、第２ゲート電極層上を含む絶縁基板上に形成された第２絶縁層とから成り、
前記工程（ニ）の後に、
（ヘ）第３開口部の直下の第２絶縁層の部分に第４開口部を形成し、該第４開口部の底部に第２ゲート電極層を露出させる工程、
を更に有することを特徴とする請求項９に記載の冷陰極電界電子放出素子の製造方法。
【請求項１３】
工程（ヘ）では、第２絶縁層をエッチングすることにより、第４開口部の上端部を第３開口部の開口端部の上縁と揃えるか、若しくは該上縁よりも後退させることを特徴とする請求項１２に記載の冷陰極電界電子放出素子の製造方法。
【請求項１４】
工程（イ）に続き、全面に層間絶縁層を形成し、更に、層間絶縁層上に収束電極層を形成する工程と、層間絶縁層に第５開口部を形成する工程を含み、
前記工程（ハ）においては、第５開口部に連通する第２開口部を絶縁層に形成することを特徴とする請求項９に記載の冷陰極電界電子放出素子の製造方法。
【請求項１５】
複数の画素から構成され、
各画素は、複数の冷陰極電界電子放出素子と、複数の冷陰極電界電子放出素子に対向して基板上に設けられたアノード電極層及び蛍光体層から構成され、
各冷陰極電界電子放出素子は、電子放出層と、絶縁層と、ゲート電極層とが、この順に支持体上に積層されて成る冷陰極電界電子放出表示装置であって、
ゲート電極層から支持体の表面に達する開口部が設けられ、
開口部は、ゲート電極層に設けられた第１開口部と、絶縁層に設けられた第２開口部と、電子放出層に設けられた第３開口部とから成り、
第１開口部と第２開口部と第３開口部とは連通しており、
電子が放出される第３開口部の開口端部の厚さは先端部に向かって減少し、且つ、第３開口部の開口端部の下縁は上縁よりも後退していることを特徴とする冷陰極電界電子放出表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２００８−２９４０００（Ｐ２００８−２９４０００Ａ）
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０５１５８（Ｐ２００８−２０５１５８）
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【分割の表示】特願平１１−１９４１５９の分割
【原出願日】平成１１年７月８日（１９９９．７．８）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【分割の表示】特願平１１−１９４１５９の分割
【原出願日】平成１１年７月８日（１９９９．７．８）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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