説明

電子放出型電極及びその製造方法

【課題】 薄い電子放出部により良好な電子放出効率を得ることの可能な電子放出型電極、この電子放出型電極を備える電子放出素子、この電子放出素子を備える画像形成装置、及び電子放出型電極の製造方法を提供すること。
【解決手段】第1のギャップを隔てて対向して配置された第1及び第2の電極と、これら第1及び第2の電極上に、前記第1のギャップよりも狭い第2のギャップを隔てて形成された、電子を放出するための第1の導電性膜及び前記第1の導電性膜から電子を引き出すための第2の導電性膜を具備することを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電子放出型電極及びその製造方法に係り、特に、低電圧で電子を効率よく放出することの可能な電子放出型電極及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、ディスプレイとしては、CRT以外に、液晶ディスプレイ(LCD(Liquid Crystal Display))やPDP(Plasma Display Panel)などのFPD(Flat Panel Display)があり、さらには電界電子放射型のFED(Field Emission Display)がある。このようなディスプレイは、薄型・大画面型化の動向にあり、今後ともFPD市場は大きくなるものと予想される。
【0003】
特に、FPDの中でもFEDの特徴は、CRTと同様に電子自発光型ディスプレイであり、加速した電子を蛍光体に衝突させ、蛍光体を発光させるものであるため、バックライトを必要としない点で液晶方式より優れている。また、電子源は冷陰極の電界放射型が主流であるため、低消費電力が小さい点でもPDPより優れている。
【0004】
更に、FEDは、CRTのように高速動画表示が可能であるという性能を有する。これらを考慮すると、FEDは、CRTの後継機ディスプレイとして非常に期待されるディスプレイ方式と考えられる。
【0005】
FED方式には、Spindt型、SCE(Surface Conduction Electron-Emitter)型、CNT(Carbon Nano Tuhbe)型などがある。SCE方式において開発されている電子放出素子及び電界電子放出型電極は、電子が放出しやすいように電子放出部を尖鋭化させるための加工工程が必要となる。また、電子放出部が薄膜ではないため、エミッション電流の効率が悪く、さらには電子が放出される部分のギャップを安定して形成することができないのが現状である。
【特許文献1】特開2004−192812
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
以上のように、従来の画像出力装置やディスプレイなどに用いられている電子放出素子及び電子放出型電極では、効率よく電子放出電流を得るために、電子放出部を尖鋭化したり、絶縁体上に導電性膜を成膜する等、工程数が多くなり、また高精度に形成するという要求に充分満足することは困難である。
【0007】
また、特許文献1に記載の電子放出素子では、素子電極上に導電性膜をインクジェット方式で塗布して電子放出部を形成するものであるため、電子放出部が最低でも素子電極の膜厚より厚くなってしまう。すなわち、電子放出部を薄くすることが出来ないため、電子放出効率が悪くなるという問題がある。
【0008】
本発明は、以上のような事情の下になされ、薄い電子放出部により良好な電子放出効率を得ることの可能な電子放出型電極、この電子放出型電極を備える電子放出素子、この電子放出素子を備える画像形成装置、及び電子放出型電極の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様は、第1のギャップを隔てて対向して配置された第1及び第2の電極と、これら第1及び第2の電極上に、前記第1のギャップよりも狭い第2のギャップを隔てて形成された、電子を放出するための第1の導電性膜及び前記第1の導電性膜から電子を引き出すための第2の導電性膜を具備することを特徴とする電子放出型電極を提供する。
【0010】
すなわち、ある極小のギャップを設けて対向配置された電子を放出するための電極の下部に、上記ギャップ幅以上のギャップを有することを特徴とした電極を提供するものである。
【0011】
このような電子放出型電極において、第1及び第2の電極と、第1の導電性膜及び第2の導電性膜は、エッチングにより形成されたものとすることができる。この場合、第1及び第2の電極と、第1及び第2の導電性膜は、エッチング速度が異なる導電体からなるものとすることができる。
【0012】
第1及び第2の電極、第1及び第2の導電性膜を構成する材料としては、Ti、V、Zr、Mo、Co、Ni、Nb、Ta、W、Pt、Au、Cu、Al、及びCrからなる群から選択された少なくとも一種の金属、これらの金属の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を挙げることができる。
【0013】
特に、第1及び第2の電極をCr又はCr化合物により構成し、第1及び第2の導電性膜を、Cr又はCr化合物のエッチング条件に十分な耐性を有する金属又は金属化合物により構成することができる。
【0014】
本発明の第2の態様は、上述した電子放出型電極を配置したことを特徴とする電子放出素子を提供する。
【0015】
本発明の第3の態様は、このような電子放出素子を複数個配置し、これら電子放出素子に対向して蛍光体層を配置してなる画像表示装置を提供する。
【0016】
本発明の第4の態様は、上述した電子放出型電極を製造する方法であって、導電体層及び導電性膜を順次積層する工程、前記導電性膜上にレジストパターンを形成する工程、前記レジストパターンをマスクとして前記導電性膜に第1のエッチングを施し、間に第2のギャップを隔てて対向する第1の導電性膜及び第2の導電性膜を形成する工程、前記レジストパターンをマスクとして前記導電体層に第2のエッチングを施し、サイドエッチングにより間に第1のギャップを隔てて対向する第1の電極及び第2の電極を形成する工程、及び前記レジストパターンを除去する工程を具備する電子放出型電極の製造方法を提供する。
【0017】
このような電子放出型電極の製造方法において、第1及び第2のエッチング処理として、プラズマエッチングを用いることが出来る。或いは、第1及び第2のエッチング処理として、化学的薬液によるウエットエッチングを用いることができる。また、第1及び第2のエッチング処理を、一方をプラズマエッチング、他方を化学的薬液によるウエットエッチングとすることができる。
【発明の効果】
【0018】
本発明の電子放出型電極によると、広いギャップを有する第1及び第2の電極上に、狭いギャップを隔てて、電子を放出するための第1の導電性膜及び第1の導電性膜から電子を引き出すための第2の導電性膜を設けているため、低い駆動電圧で効率良く電子電流を得るという優れた効果を奏する。また、あわせて電子を放出する電極の下部に空孔が設けられることで、そこでのチャージアップを低減する効果も得られる。
【0019】
また、本発明の電子放出型電極の製造方法によると、導電性膜のエッチング及び導電体層のサイドエッチングにより、広いギャップを有する第1及び第2の電極上に、狭いギャップを隔てて、電子を放出するための第1の導電性膜及び第1の導電性膜から電子を引き出すための第2の導電性膜を設けているため、薄膜からなる電子放出部を、少ない工程数で安定して形成することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【0021】
本発明者らは、FEDの低電圧・高効率エミッション電流を得るための電極を製造するに際し、そのプロセス負担を軽減させるために、鋭意検討を重ねた結果、電子放出型電極の電子放出部の薄膜化と、電子放出部の尖鋭化プロセスの省略が必要であるという結論に至った。そして、このような要求は、厚い導電体層と薄い導電性膜の2層積層体の2段階のエッチングにより電子放出部を形成することにより、満たすことができることを見出した。
【0022】
すなわち、導電体層と導電性膜のエッチング速度差(エッチングの選択性)を利用することで、電子放出部を安定して形成することができ、それによって、低電圧・高効率エミッション電流利得が得られる電子放出型電極を得ることが可能である。
【0023】
特に、薄い導電性膜のエッチングを異方的なエッチングで行うことにより、狭いギャップの電子放出部を得ることができ、厚い導電体層のエッチングを等方的なエッチングにより行うことにより、サイドエッチングにより広いギャップを有する第1及び第2の電極を、電子放出部を構成する第1及び第2の導電性膜がひさし状に突出した状態で、形成することができる。このようにして、電子放出部の尖鋭化プロセスを省略することが可能となり、電界電子放出型電極の製造プロセスの負担を軽減することができる。
【0024】
図1は、本発明の一実施形態に係る電子放出素子の電子発光原理を説明する概念図である。図1に示す電子放出素子では、基板1上に、透明導電性膜2a,2bが形成され、これら透明導電性膜2a,2b上に第1及び第2の電極3a,3bが形成され、これら第1及び第2の素子電極3a,3b上に、電子放出型電極(カソード)を構成する第1の導電性膜4a及び電子引き込み電極(アノード)を構成する第2の導電性膜4bが形成されている。第1及び第2の導電性膜4a,4b間には、第1及び第2の電極3a,3b間のギャップよりも狭いギャップ5が形成されている。すなわち、第1及び第2の導電性膜4a,4bのギャップ5を構成する部分は、ひさし状に水平に突出して対向している。
【0025】
第1及び第2の導電性膜4a,4b間のギャップは、例えば、10〜100nmであり、第1及び第2の電極3a,3b間のギャップは、例えば、30〜200nmである。また、第1及び第2の導電性膜4a,4bの膜厚は、例えば、50〜200Å、第1及び第2の電極3a,3bの膜厚は、例えば、200〜1000Åである。
【0026】
さらに、今後の画素の微細化、電子放出効率向上のためには、同様に第1及び第2の導電性膜4a,4b間のギャップは、例えば1〜10nmでも良く、第1及び第2の電極3a,3b間のギャップは、例えば、5〜30nmでも良い。また、第1及び第2の導電性膜4a,4bの膜厚は、例えば、1〜50Å、第1及び第2の電極3a,3bの膜厚は、例えば、10〜200Åでも良い。
【0027】
このような電子放出型電極では、第1及び第2の電極と、第1の導電性膜及び第2の導電性膜は、エッチングにより形成されるので、第1及び第2の電極と、第1及び第2の導電性膜は、エッチング速度が異なる導電体により構成される。
【0028】
具体的には、第1及び第2の電極、第1及び第2の導電性膜を構成する材料は、Ti、V、Zr、Mo、Co、Ni、Nb、Ta、W、Pt、Au、Cu、Al、及びCrからなる群から選択された少なくとも一種の金属、これらの金属の酸化物、窒化物、又は酸窒化物から、エッチング速度が異なるものを適宜選択することができる。
【0029】
以上のように構成される電子放出素子の上方に対向して、表面に電子引出し電極6を設けた蛍光板7が配置されている。透明導電性膜2bと電子引出し電極6との間には、電子引出し電圧を印加するための電子引出し印加電源8が接続され、また透明導電性膜2a,2b間には、電界電子電極印加電圧を印加するための電界電子電極印加電源9が接続されている。
【0030】
透明導電性膜2bと電子引出し電極6との間に電子引出し印加電源8から電子引出し電圧を印加し、透明導電性膜2a,2b間に電界電子電極印加電源9から電界電子電極印加電圧を印加すると、第1の導電性膜4aから放出され、第2の導電性膜4bに向かう電子は、進路を曲げられて電子引出し電極6に向かい、蛍光板7に衝突して蛍光体を発光させる。
【0031】
次に、図1に示す電子放出素子の製造プロセスについて説明する。
【0032】
図2は、本発明の第1の実施例に係る電子放出素子の製造プロセスを工程順に示す断面図である。まず、図2(a)に示すように、ガラス基板11上にITOからなる透明導電性膜12a,12bを形成し、次いで、透明導電性膜12a,12b上にスパッタ装置を用いてCr膜13を成膜し、更にその上にMo膜14を成膜した。
【0033】
Crの成膜条件は、DC電力=300W、Ar流量=30sccm、圧力=0.25Paであり、膜厚は1000Aであった。
【0034】
Moの成膜条件は、DC電力=300W、Ar流量=30sccm、圧力=0.25Paであり、膜厚は100Aであった。
【0035】
次に、図2(b)に示すように、Mo膜14上にスピン塗布によりレジスト膜15を形成した。レジスト膜15としては、FEP171電子線レジスト(富士フィルムエレクトロニクスマテリアルズ社製)を用いた。レジストの塗布条件は、回転数1500rpmであり、膜厚は3000Aであった。なお、本実施例では電子線レジストを用いているが、フォトレジストでも構わない。そして、図2(c)に示すように、電子線露光機を用いてレジストに所定のパターンを露光し、現像して、レジストパターン16を形成した。
【0036】
その後、図2(d)に示すように、ICP型ドライエッチング装置を用いて、Mo膜14のドライエッチングを行い、狭いギャップを有する第1の導電性膜17a及び第2の導電性膜17bを形成した。なお、本実施例では、ICP型ドライエッチング装置を用いたが、他の方式のドライエッチング装置でも構わない。また、ドライエッチングに限らず、ウェットエッチングでも構わない。Mo膜14のエッチング条件は、CF4 =50sccm、圧力=5mTorr、ICP=300Wであった。
【0037】
尚、この電子を放出する第1及び第2の導電性膜4a,4b間の第2の電極の形成は、本実施例では上記電子線描画及びフォトリソグラフィー法を用い、その後にエッチングを行うという手法を用いたが、その他の方法によりクラック等を発生させることでギャップを形成させることも可能である。
【0038】
次いで、図2(e)に示すように、同様に、ICP型ドライエッチング装置を用いて、Cr膜15のエッチングを行い、広いギャップを有する第1の電極18a及び第2の電極18bを形成した。Cr膜15のエッチング条件は、:Cl2流量=30sccm、O2 流量=5sccm、圧力=5mTorr、ICP=300Wであった。このエッチングの際には、Cr膜15はサイドエッチングにより側方に後退し、第1の導電性膜17a及び第2の導電性膜17bがひさし状となった。尚、ここでも例えばCrを用いた第1のギャップ形成に、ドライエッチングではなく、ウエットエッチングを用いても何ら支障は無い。
【0039】
最後に、レジスト剥離剤(SH303、関東化学社製)を用いてレジストパターン16の剥離を行い、図2(f)に示す断面形状を有する電子放出素子を得た。
【0040】
得られた電子放出素子の各ギャップ間をSEM(日立社製)で測長したところ、電子放出部を構成する第1及び第2の導電性膜17a,17bのギャップ長が200nm、第1及び第2の電極18a,18bのギャップ長が300nmであることが分かった。
【0041】
本実施例で作製された電子放出素子の電子放出型電極に、図1に示す高周波電圧電源9から電圧(印加電圧:1〜20V)を印加すると、測定回路の電流計値が得られ、電極間のエミッション電流を確認することが出来た。このエミッション電流は、ファラデーカップによっても確認することが出来る。
【0042】
エミッション電流を確認した後、図1に示すように電子引き出し電極6を設置し、定電圧電源8からバイアス電圧を印加することで、第1の導電性膜4a,17aから放出された電子の軌道を蛍光板7の方向に曲げ、蛍光板に衝突させることにより、蛍光板の発光を確認することが出来た。
【0043】
図3は、第2の実施例に係る電子放出素子の製造プロセスを工程順に示す断面図である。まず、図3(a)に示すように、ガラス基板21上にITOからなる透明導電性膜22を形成し、次いで、透明導電性膜22上にスパッタ装置を用いてCr膜23を成膜し、更にその上にTa膜24を成膜した。
【0044】
Crの成膜条件は、DC電力=300W、Ar流量=30sccm、圧力=0.25Paであり、膜厚は1000Aであった。
【0045】
Taの成膜条件は、DC電力=300W、Ar流量=30sccm、圧力=0.25Paであり、膜厚は100Aであった。
【0046】
次に、図3(b)に示すように、Ta膜24上にスピン塗布によりレジスト膜25を形成した。レジスト膜25としては、FEP171電子線レジスト(富士フィルムエレクトロニクスマテリアルズ社製)を用いた。レジストの塗布条件は、回転数1500rpmであり、膜厚は3000Aであった。なお、本実施例では電子線レジストを用いているが、フォトレジストでも構わない。そして、図3(c)に示すように、電子線露光機を用いてレジスト膜25に所定のパターンを露光し、現像して、レジストパターン26を形成した。
【0047】
その後、図3(d)に示すように、ICP型ドライエッチング装置を用いて、Ta膜24のドライエッチングを行い、狭いギャップを有する第1の導電性膜27a及び第2の導電性膜27bを形成した。なお、ドライエッチングに限らず、ウェットエッチングでも構わない。Ta膜24のエッチング条件は、Cl流量=30sccm、圧力=5mTorr、ICP=300Wであった。
【0048】
次いで、図3(e)に示すように、ウエットエッチングによりCr膜25及び透明導電性膜22のエッチングを行い、広いギャップを有する第1の電極28a、第2の電極28b、及び透明導電性膜パターン29a,29bを形成した。エッチング条件は、硝酸2セリウムアンモニウムを用い、浸漬時間30分であった。このエッチングの際には、Cr膜25はサイドエッチングにより側方に後退し、第1の導電性膜27a及び第2の導電性膜27bがひさし状となった。
【0049】
最後に、レジスト剥離剤(SH303、関東化学社製)を用いてレジストパターン26の剥離を行い、図3(f)に示す断面形状を有する電子放出素子を得た。
【0050】
得られた電子放出素子の各ギャップ間をSEM(日立社製)で測長したところ、電子放出部である第1及び第2の導電性膜27a,27bのギャップ長が100nm、第1及び第2の電極28a,28bのギャップ長が200nmであることが分かった。
【0051】
本実施例で作製された電子放出素子の電子放出型電極に、図1に示す高周波電圧電源9から電圧(印加電圧:1〜20V)を印加すると、測定回路の電流計値が得られ、電極間のエミッション電流を確認することが出来た。このエミッション電流は、ファラデーカップによっても確認することが出来る。
【0052】
エミッション電流を確認した後、図1に示すように電子引き出し電極6を設置し、定電圧電源8からバイアス電圧を印加することで、第1の導電性膜4a,27aから放出された電子の軌道を蛍光板7の方向に曲げ、蛍光板に衝突させることにより、蛍光板の発光を確認することが出来た。
【産業上の利用可能性】
【0053】
本発明の電子放出型電極及び電子放出素子は、低い駆動電圧で効率良く電子電流を得ることができるので、画像出力装置やディスプレイに好適に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】本発明の一実施形態に係る電子放出素子の電子発光原理を説明する概念図。
【図2】本発明の一実施例に係る電子放出型電極の製造プロセスを工程順に示す断面図。
【図3】本発明の他の実施例に係る電子放出型電極の製造プロセスを工程順に示す断面図。
【符号の説明】
【0055】
1,11,21…基板、2a,2b,12a,12b,22,29a,29b…透明導電性膜、3a,18a,28a・・・第1の電極、3b,18b,28b…第2の電極、4a,17a,27a・・・第1の導電性膜、4b,17b,27b・・・第2の導電性膜、5・・・ギャップ、6・・・電子引出し電極、7・・・蛍光板、8・・・電子引出し印加電源、9・・・電界電子電極印加電圧、13,23・・・Cr膜、14・・・Mo膜、15,25・・・レジスト膜、16,26・・・レジストパターン、24・・・Ta膜。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1のギャップを隔てて対向して配置された第1及び第2の電極と、これら第1及び第2の電極上に、前記第1のギャップよりも狭い第2のギャップを隔てて形成された、電子を放出するための第1の導電性膜及び前記第1の導電性膜から電子を引き出すための第2の導電性膜を具備することを特徴とする電子放出型電極。
【請求項2】
前記第1及び第2の電極と、前記第1の導電性膜及び第2の導電性膜は、エッチングにより形成されたものであることを特徴とする請求項1に記載の電子放出型電極。
【請求項3】
前記第1及び第2の電極と、前記第1及び第2の導電性膜は、エッチング速度が異なる導電体からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の電子放出型電極。
【請求項4】
前記第1及び第2の電極と、前記第1及び第2の導電性膜は、Ti、V、Zr、Mo、Co、Ni、Nb、Ta、W、Pt、Au、Cu、Al、及びCrからなる群から選択された少なくとも一種の金属、これらの金属の酸化物、窒化物、又は酸窒化物からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電子放出型電極。
【請求項5】
前記第1及び第2の電極はCr又はCr化合物からなり、前記第1及び第2の導電性膜は、Cr又はCr化合物のエッチング条件に十分な耐性を有する金属又は金属化合物からなることを特徴とする請求項4に記載の電子放出型電極。
【請求項6】
基板上に、請求項1〜5のいずれかに記載の電子放出型電極を配置したことを特徴とする電子放出素子。
【請求項7】
請求項6に記載の電子放出素子を複数個配置し、これら電子放出素子に対向して蛍光体層を配置してなることを特徴とする画像表示装置。
【請求項8】
請求項1〜5のいずれかに記載の電子放出型電極を製造する方法であって、
導電体層及び導電性膜を順次積層する工程、
前記導電性膜上にレジストパターンを形成する工程、
前記レジストパターンをマスクとして前記導電性膜に第1のエッチングを施し、間に第2のギャップを隔てて対向する第1の導電性膜及び第2の導電性膜を形成する工程、
前記レジストパターンをマスクとして前記導電体層に第2のエッチングを施し、サイドエッチングにより間に前記第2のギャップより広い第1のギャップを隔てて対向する第1の電極及び第2の電極を形成する工程、及び
前記レジストパターンを除去する工程
を具備することを特徴とする電子放出型電極の製造方法。
【請求項9】
前記第1及び第2のエッチング処理は、プラズマエッチングであることを特徴とする請求項8に記載の電子放出型電極の製造方法。
【請求項10】
前記第1及び第2のエッチング処理は、化学的薬液によるウエットエッチングであることを特徴とする請求項8に記載の電子放出型電極の製造方法。
【請求項11】
前記第1及び第2のエッチング処理は、一方がプラズマエッチング、他方が化学的薬液によるウエットエッチングであることを特徴とする請求項8に記載の電子放出型電極の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2007−80626(P2007−80626A)
【公開日】平成19年3月29日(2007.3.29)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−265629(P2005−265629)
【出願日】平成17年9月13日(2005.9.13)
【出願人】(000003193)凸版印刷株式会社 (10,630)
【出願人】(000002060)信越化学工業株式会社 (3,361)
【Fターム(参考)】