電子放出源及びその作製方法並びに画像表示装置の製造方法
【課題】粒径が小さく、分散成長したＣＮＦやＧＮＦを有する電子放出源及びその作製方法の提供。
【解決手段】トリガ電極３３と触媒金属で少なくとも先端部が構成されたカソード電極３２とが、絶縁碍子３４を挟んで隣接して配置され、カソード電極３２とトリガ電極３３との周りに同軸状にアノード電極３１が配置されている同軸型真空アーク蒸着源３を備えている同軸型真空アーク蒸着装置２を用い、トリガ電極３３とアノード電極３１との間にトリガ放電をパルス的に発生させて、カソード電極３２とアノード電極３１との間にアーク放電を断続的に誘起させることにより基板上に形成された触媒金属からなる触媒粒子を用いて成長させたＣＮＦ又はＧＮＦを有する電子放出源。
【解決手段】トリガ電極３３と触媒金属で少なくとも先端部が構成されたカソード電極３２とが、絶縁碍子３４を挟んで隣接して配置され、カソード電極３２とトリガ電極３３との周りに同軸状にアノード電極３１が配置されている同軸型真空アーク蒸着源３を備えている同軸型真空アーク蒸着装置２を用い、トリガ電極３３とアノード電極３１との間にトリガ放電をパルス的に発生させて、カソード電極３２とアノード電極３１との間にアーク放電を断続的に誘起させることにより基板上に形成された触媒金属からなる触媒粒子を用いて成長させたＣＮＦ又はＧＮＦを有する電子放出源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出源及びその作製方法、並びに画像表示装置の製造方法に関し、特に同軸型真空アーク蒸着源を有する同軸型真空アーク蒸着装置を用いて形成した触媒粒子を利用して成長させたカーボンナノファイバー又はグラファイトナノファイバーを有する電子放出源及びその作製方法、並びにこの電子放出源を備えた画像表示装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子放出源として、カーボンナノファイバー(以下、ＣＮＦと称す)やグラファイトナノファイバー(以下、ＧＮＦと称す)のようなカーボンナノ材料が広く用いられている。これらのカーボンナノ材料は、優れた電子放出特性を持っており、フィールドエミッションディスプレイ(以下、ＦＥＤと称す)のような次世代ディスプレイには欠かせない材料となっている。これらのカーボンナノ材料は、一般に、電子ビーム蒸着法(ＥＢ)やスパッタ法で成膜した触媒金属上に成長させている(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
通常、成長したカーボンナノ材料の直径は、下地としての触媒金属の粒径に依存し、また、カーボンナノ材料の電子放出特性は、成長したカーボンナノ材料の直径と密度によって異なる。
【０００４】
しかし、ＥＢ法やスパッタ法で成膜した触媒金属は膜状になってしまい、上記カーボンナノ材料が密に成長し過ぎてしまい、満足すべき電子放出特性が得られないという問題がある。また、膜状の触媒金属が凝集して島状微粒子を形成したとしても、この島状微粒子上にある程度大きな直径を持つカーボンナノ材料が成長してしまい、直径の小さなカーボンナノ材料を成長せしめることは困難であった。
【特許文献１】特開２００４−１０７１６２号公報(特許請求の範囲、００２０等)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の課題は、上述の従来技術の問題点を解決することにあり、同軸型真空アーク蒸着源を備えた同軸型真空アーク蒸着装置を用いて形成した触媒金属粒子を利用して成長せしめたカーボンナノファイバー又はグラファイトナノファイバーを有する電子放出源及びその作製方法、並びにこの電子放出源を備えた画像表示装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電子放出源は、円筒状のトリガ電極と触媒金属で少なくとも先端部が構成された円筒状のカソード電極とが、円板状の絶縁碍子を挟んで隣接して配置され、そしてカソード電極とトリガ電極との周りに同軸状に円筒状のアノード電極が配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えている同軸型真空アーク蒸着装置を用い、トリガ電極とアノード電極との間にトリガ放電をパルス的に発生させ、カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を断続的に誘起させることにより基板上に形成された触媒金属からなる触媒粒子を用いて成長させたカーボンナノファイバー(ＣＮＦ)又はグラファイトナノファイバー(ＧＮＦ)を有することを特徴とする。
【０００７】
前記触媒金属は、鉄、ニッケル、銅、コバルト又はこれらの金属から選ばれた少なくとも１つの金属を含む合金であることを特徴とする。
【０００８】
上記電子放出源の場合、形成された触媒粒子の粒径が小さいため、ＣＮＦ又はＧＮＦは、直径が小さくなり、分散成長しやすく、電子放出特性に優れているので、電子放出源として有用である。
【０００９】
また、本発明の電子放出源の作製方法は、円筒状のトリガ電極と触媒金属で少なくとも先端部が構成された円筒状のカソード電極とが、円板状の絶縁碍子を挟んで隣接して配置され、そしてカソード電極とトリガ電極との周りに同軸状に円筒状のアノード電極が配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えている同軸型真空アーク蒸着装置を用い、トリガ電極とアノード電極との間にトリガ放電をパルス的に発生させ、カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を断続的に誘起させて、基板上に触媒金属からなる触媒粒子を形成し、次いでこの基板に対してＣＮＦ又はＧＮＦ用原料を供給し、触媒粒子上にＣＮＦ又はＧＮＦを成長させて、このＣＮＦ又はＧＮＦを有する電子放出源を作製することを特徴とする。
【００１０】
前記作製方法において、触媒金属は、鉄、ニッケル、銅、コバルト又はこれらの金属から選ばれた少なくとも１つの金属を含む合金であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の画像表示装置の製造方法は、複数の電子放出源と、前記電子放出源からの電子の放出によって発光する発光部材とを有する画像表出装置の製造方法であって、この電子放出源として、上記した電子放出源を用いるか、又は上記した作製方法によって電子放出源を作製することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、同軸型真空アーク蒸着源を備えた同軸型真空アーク蒸着装置を用いて形成した触媒粒子を利用することにより、直径が小さく、分散成長したＣＮＦやＧＮＦを提供できるので、このようなＣＮＦやＧＮＦを有する電子放出源は、ＦＥＤのような次世代フラットパネルディスプレイ等の電子放出エミッタを製造する際に、有用な電子放出源として利用できるという効果を奏する。
【００１３】
また、本発明によれば、満足できる電子放出特性により所望の発光が行われ得る画像表示装置を提供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】
【００１４】
本発明の電子放出源では、同軸型真空アーク蒸着源を備えた同軸型真空アーク蒸着装置を用いて形成した触媒粒子(ナノ金属粒子)上に成長させたＣＮＦやＧＮＦをカーボンナノ材料として用いることにより、電子放出特性を向上せしめている。前述の通り、ＥＢ蒸着法やスパッタ法で成膜した触媒金属は、膜状になってしまい、ＣＮＦやＧＮＦを、直径を細く、かつ分散して成長させることは困難である。そのため、スパッタ法等で成膜した触媒金属を用いて成長させたＣＮＦやＧＮＦからなる電子放出源を、例えばＦＥＤ用電子放出源として使用する場合、満足できる電子放出特性を得ることができない。
【００１５】
ＥＢ蒸着法により鉄を５ｎｍ厚さで成膜した基板を用いて、公知のＣＶＤ法(プロセス条件：Ｈ２：ＣＯ＝１：１、５２５℃、２０分保持)により、この鉄触媒上に成長させたＧＮＦのＳＥＭ写真像を図１に示す。図１から明らかなように、ＧＮＦの直径は約５００ｎｍと大きく、高密度で成長していることが分かる。
【００１６】
本発明の電子放出源として好適に用いられるＣＮＦやＧＮＦのようなファイバー状の場合、直径が細くかつ低密度成長している方が電子放出特性が向上する。これに対して、図１に示すように、ファイバー直径が太く高密度成長しているナノカーボン材料からなる電子放出源では、電子放出特性が悪くなってしまう。
【００１７】
上述したように、直径が細く、かつ低密度成長しているＣＮＦやＧＮＦを有する電子放出源を作製するには、同軸型真空アーク蒸着源を備えた同軸型真空アーク蒸着装置(アークプラズマガン：ＡＰＧ)を用いて、所定の粒径の触媒粒子を形成し、この触媒粒子をＣＮＦやＧＮＦ成長用触媒として用い、所定の原料ガスを供給してＣＮＦやＧＮＦを作製すれば良い。直径が細く、かつ低密度成長しているＣＮＦやＧＮＦを用いることにより、ＦＥＤのような次世代フラットパネルディスプレイにとって不可欠な電子放出特性を向上させることが可能な電子放出源を提供することができる。
【００１８】
本発明において使用する蒸着装置としては、円筒状のトリガ電極と、鉄、ニッケル、銅、又はコバルト等の触媒金属材料(これら金属の合金も含む)で少なくとも先端部が構成された円筒状のカソード電極と、このトリガ電極及びカソード電極の間に両者を離間させるために設けられた円板状の絶縁碍子と、カソード電極とトリガ電極との周りに同軸状に配置された円筒状のアノード電極とを有する同軸型真空アーク蒸着源を備え、この蒸着源のコンデンサを蒸着源近傍に設けてある同軸型真空アーク蒸着装置を用いる。上記カソード電極は、その全体が上記触媒金属材料で構成されていても、その先端部であるアノード電極の開口側方向の端部が上記触媒金属材料で構成されていても良い。
【００１９】
上記蒸着装置を用い、例えば、放電電圧を５０Ｖ以上、好ましくは５０Ｖ〜８００Ｖ、コンデンサ容量を８８００μＦ以下、間欠運転の周期を１〜１０Ｈｚ、放電時間を１０００μｓ以下、好ましくは３００μｓ以下に設定して、トリガ電極とアノード電極との間にトリガ放電を発生させて、カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を誘起させ、そしてカソード電極を構成する触媒金属から生じるプラズマ化されている金属粒子を蒸着装置の真空チャンバ内へ放出せしめ、真空チャンバ上方に設置された基板に供給し、基板上に触媒金属からなるナノ粒子を形成することができる。このような放電条件を用いれば、２〜５ｎｍ程度の触媒粒子を形成することができると共に、触媒粒子を基板に密着性よくつけることもできる。
【００２０】
本発明で使用できる好ましい基板としては、電子放出源用の基板、例えばシリコン、アモルファスカーボン、シリカ等からなる基板を挙げることができる。
【００２１】
上記した同軸型真空アーク蒸着源を備えた同軸型真空アーク蒸着装置を用いて行う触媒粒子を形成する方法の一実施の形態について、以下、この蒸着装置の一構成例を模式的に示す図２を参照して説明する。
【００２２】
図２を参照すれば、同軸型真空アーク蒸着装置２は、円筒状の真空チャンバ２１を有し、この真空チャンバ内の上方には、基板ステージ２２が水平に配置されている。真空チャンバ２１の上部壁には、基板ステージ２２を水平面内で回転させることができるように、基板ステージの上面の中心部に接続したモーター等の回転駆動手段２３を有する回転機構２４が設けられている。
【００２３】
被処理基板Ｓが固定される基板ステージ２２の面と反対側の面には、真空チャンバ壁面との間にヒータ等の加熱手段２５が設けられ、基板を所定の温度に加熱できるようになっている。１又は複数枚の被処理基板Ｓが保持・固定されて取り付けられ得る側の基板ステージ２２の面と対向して、真空チャンバ２１の下方には、１又は複数個の後述する同軸型真空アーク蒸着源３が、アノード電極３１の開口部Ａを真空チャンバ２１内へ向けて配置されている。
【００２４】
被処理基板Ｓの近傍には膜厚測定子(図示せず)を取り付けて、基板に付着する触媒粒子の大きさを測定できるように構成してもよい。
【００２５】
真空チャンバ２１の壁面には、ガス導入系２６及び真空排気系２７が接続されている。このガス導入系２６は、バルブ２６１、マスフローコントローラー２６２及びガスボンベ２６３がこの順序で金属製配管で接続されて構成されている。また、真空排気系２７は、バルブ２７１、ターボ分子ポンプ２７２、バルブ２７３及びロータリーポンプ２７４がこの順序で金属製真空配管で接続されており、真空チャンバ２１内を好ましくは１０−５Ｐａ以下に真空排気できるように構成されている。
【００２６】
図２に示すような、同軸型真空アーク蒸着装置２に設けられた同軸型真空アーク蒸着源３について以下説明する。
【００２７】
この蒸着源３は、一端が閉じ他端が開口し、ステンレス等から構成されている円筒状のアノード電極３１と、鉄等の触媒金属材料で構成されている円筒状のカソード電極３２と、ステンレス等から構成されている円板状のトリガ電極(例えば、リング状のトリガ電極)３３とから構成されている。
【００２８】
カソード電極３２は、アノード電極３１の内部に同軸状にアノード電極の壁面から一定の距離だけ離して設けられている。カソード電極３２は、その少なくとも先端部(アノード電極３１の開口部Ａ側方向の端部に相当する)だけが、同軸型真空アーク蒸着源のターゲットとなる前記金属材料から構成されていても良い。
【００２９】
トリガ電極３３は、ターゲット材料からなるカソード電極３２との間にアルミナ等から構成された絶縁碍子(ワッシャ碍子)３４を挟んで取り付けられている。カソード電極３２と絶縁碍子３４とトリガ電極３３の３つの部品は図示していないが、ネジ等で密着させて取り付けられている。絶縁碍子３４はカソード電極３２とトリガ電極３３とを絶縁するように取り付けられている。また、トリガ電極３３は絶縁体３５を介してカソード電極３２に取り付けられていてもよい。これらのアノード電極３１とカソード電極３２とトリガ電極３３とは、絶縁碍子３４及び絶縁体３５により電気的に絶縁が保たれていることが好ましい。この絶縁碍子３４と絶縁体３５とは一体型に構成されたものであっても別々に構成されたものでも良い。なお、アノード電極３１は、図示していないが、真空チャンバ２１の底面に取り付けられた真空フランジに支柱で取り付けられている。
【００３０】
カソード電極３２とトリガ電極３３との間にはパルストランスからなるトリガ電源３６が接続されており、また、カソード電極３２とアノード電極３１との間にはアーク電源３７が接続されている。アーク電源３７は直流電圧源３７１とコンデンサユニット３７２とからなり、この直流電圧源の両端は、アノード電極３１とカソード電極３２とに接続され、コンデンサユニット３７２と直流電圧源３７１とは並列接続されている。
【００３１】
本発明においては、このコンデンサユニット３７２は同軸型真空アーク蒸着源３の近傍に取り付けられる。すなわち、カソード電極３２及びアノード電極３１との接続ラインを短く、例えば、１００ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度の距離になるように取り付けることが必要である。これにより、同軸型真空アーク蒸着源３が所望の放電機能を果たすことができる。
【００３２】
コンデンサユニット３７２は、複数個のコンデンサ(図２では、３個のコンデンサを例示してある)が接続したものであって、その１つの容量が例えば２２００μＦであり、直流電圧源３７１により随時充電される。トリガ電源３６は、例えば入力２００Ｖのμ秒のパルス電圧を約１７倍に変圧して、３．４ｋＶ(数μＡ)、極性：プラスを出力している。アーク電源３７は、例えば８００Ｖ、数Ａの容量の直流電源であって、コンデンサユニット３７２(４個のコンデンサの場合、８８００μＦ)を充電している。この充電時間を約０．１〜１秒とすれば、本システムにおいて４個のコンデンサからなるコンデンサユニットを用いる場合、８８００μＦで放電を繰り返す場合の周期は１〜１０Ｈｚで行われ得る。トリガ電源３６のプラス出力端子は、トリガ電極３３に接続され、マイナス端子は、アーク電源３７のマイナス側出力端子と同じ電位に接続され、カソード電極３２に接続されている。アーク電源３７のプラス端子はグランド電位に接地され、アノード電極３１に接続されている。コンデンサユニット３７２の両端子は直流電圧源３７１のプラス端子及びマイナス端子間に接続されている。
【００３３】
上記同軸型真空アーク蒸着源３を用いてアーク放電を誘起させるには、例えば、まず、直流電圧源３７１により４個のコンデンサからなるコンデンサユニット３７２に１００Ｖで電荷を充電し、コンデンサユニット３７２の容量を８８００μＦに設定する。
【００３４】
この充電電圧をアノード電極３１とカソード電極３２とに印加する。この場合、触媒金属材料には、カソード電極３２を介してコンデンサユニット３７２が出力する負電圧が印加される。この状態で、トリガ電源３６からトリガ電極３３に３．４ｋＶのパルス状電圧を出力し、カソード電極３２とトリガ電極３３との間に絶縁碍子３４を介して印加すると、カソード電極３２とトリガ電極３３との間にトリガ放電(絶縁碍子３４表面での沿面放電)が発生する。カソード電極３２と絶縁碍子３４とのつなぎ目からは電子が放出される。
【００３５】
上記したトリガ放電によって、アノード電極３１とカソード電極３２との間の耐電圧が低下し、アノード電極の内周面とカソード電極の側面との間で、コンデンサユニット３７２に蓄電された電荷がアーク放電される。
【００３６】
コンデンサユニット３７２に充電された電荷のアーク放電により、多量の電流がカソード電極３２に流れ、カソード電極３２の側面から鉄等の触媒金属材料の蒸気が放出され、プラズマ化される。この時、アーク電流は、カソード電極３２の中心軸上を流れ、アノード電極３１内に磁界が形成される。コンデンサユニット３７２に蓄電された電荷の放出により放電は停止する。このトリガ放電を複数回繰り返し、そのトリガ放電毎にアーク放電を誘起させることが好ましい。
【００３７】
アーク放電によりカソード電極３２からアノード電極３１内に放出された電子は、アーク電流によって形成される磁界により電流が流れる向きとは逆向きのローレンツ力を受けて飛行し、開口部Ａから真空チャンバ２１内へ放出される。
【００３８】
すなわち、同軸型真空アーク蒸着源３での上記したアーク放電の間、カソード電極３２を構成する触媒金属材料の融解により発生した微粒子(プラズマ化している原子状イオンやクラスタや電子等)が形成される。このカソード電極から放出された金属の蒸気には、荷電粒子であるイオンと中性粒子とが含まれており、電荷が質量に比べて小さい(電荷質量比の小さい)巨大荷電粒子や中性粒子は直進し、アノード電極３１の壁面に衝突するが、電荷質量比の大きな荷電粒子であるイオンは、クーロン力により電子に引きつけられるように飛行し、アノード電極の開口部(放出口)Ａから真空チャンバ２１内へ放出される。
【００３９】
上記した金属微粒子の放出は、詳細には次のようにして行われる。カソード電極３２に多量の電流が流れるので、カソード電極に磁場が形成され、この時発生したプラズマ中の電子(この電子はカソード電極からアノード電極３１の円筒内面に飛行する)が自己形成した磁場によってローレンツ力を受け、前方に飛行する。一方、プラズマ中のカソード電極材料の金属イオンは、電子が前記したように飛行し分極することでクーロン力により前方の電子に引きつけられるようにして前方に飛行し、被処理基板Ｓ上に触媒粒子が付着することになる。
【００４０】
同軸型真空アーク蒸着源３と所定の距離(例えば、８０ｍｍ)離れた上方の位置には、被処理基板Ｓが、基板ステージ２２の中心をその中心とする同心円上を回転しながら通過している。そこで、真空チャンバ２１内へ放出された金属の蒸気中のイオン等が、同軸型真空アーク蒸着源３に対向する基板ステージ２２表面に主面を開口部Ａに向けて取り付けられている被処理基板Ｓの表面に達すると、金属微粒子が各基板表面に付着し、凝集して直径数ｎｍの触媒粒子が形成される。この被処理基板Ｓは、所望により、加熱手段２５によって所定の温度に加熱されることができる。
【００４１】
１回のトリガ放電でアーク放電が１回誘起され、アーク電流が３００μ秒流れる。上記コンデンサユニット３７２の充電時間が約１秒である場合、１Ｈｚの周期でアーク放電を発生させることができる。所望の粒径(例えば、２〜５ｎｍ程度)に応じて、所定の回数(例えば、５〜５００回)のアーク放電を発生させ、被処理基板Ｓの表面に触媒粒子を形成せしめる。
【００４２】
本発明では、上記した場合のアーク放電の尖頭電流が２０００Ａ以上になるように、コンデンサユニット３７２の配線長を好ましくは１０〜５０ｍｍとし、また、カソード電極３２に接続されたコンデンサユニットの容量を好ましくは２２００〜８８００μＦとし、放電電圧を５０Ｖ以上、好ましくは５０〜８００Ｖ、より好ましくは６０〜４００Ｖに設定して、１回のアーク放電によるアーク電流を１０００μ秒以下、好ましくは３００μ秒以下の短い時間で消滅させるようにすることが望ましい。また、このトリガ放電は、１秒に１〜１０回程度発生させることが好ましい。
【００４３】
上記したようにして形成した触媒粒子を有する基板に対してＣＮＦやＧＮＦを作製するために用いる原料は、特に制限されず、公知の原料を使用できる。例えば、Ｈ２とＣＯ(例えば、１：１の流量割合)との組み合わせや、Ｈ２とＣＨ４やＣ２Ｈ２等の飽和若しくは不飽和の炭化水素又はアルコール類等との組み合わせ等を挙げることができる。この場合、炭化水素はＮ２やＡｒやＨｅ等の不活性ガスで希釈されたものであっても良い。また、ＣＮＦやＧＮＦ成長プロセスの条件も、特に制限されず、通常の成長プロセス条件で良い。例えば、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、リモートプラズマ法、又はレーザーアブレーション法等を用いて、公知のプロセス条件でこのカーボンナノ材料の成長を行うことができる。好ましくは、ＣＶＤ法である。
【００４４】
また、本発明の画像表示装置の製造方法は、上記した本発明の電子放出源を用いて、公知の方法により行うことができる。例えば、複数の本発明の電子放出源と、この電子放出源からの電子の放出によって発光する発光部材とを、公知の手段で組み合せることにより画像表示装置を製造できる。
【００４５】
以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明について詳細に説明する。
【００４６】
以下の実施例では、次世代フラットパネルディスプレイに欠かすことのできない電子放出源として、ＧＮＦを有する電子放出源を選び、このＧＮＦ成長用触媒となる金属粒子としてＦｅ粒子を、図２に示す同軸型真空アーク蒸着装置を用いて形成した。
【実施例１】
【００４７】
図２に示す同軸型真空アーク蒸着源を備えた同軸型真空アーク蒸着装置を用い、ターゲット材としてのＦｅで構成されたカソード電極を配置して、石英基板上にＦｅ触媒粒子を形成し、次いでこの触媒粒子上にＣＶＤ法によりＧＮＦを成長せしめた。
【００４８】
Ｆｅ触媒粒子を形成する前に、直流電圧源３７１によりコンデンサユニット３７２に６０Ｖで電荷を充電し、コンデンサユニット３７２の容量を８８００μＦに設定した。次いで、トリガ電源３６からトリガ電極３３にパルス電圧を出力し(出力：３．４ｋＶ)、カソード電極３２とトリガ電極３３との間にワッシャ碍子３４を介して印加することで、カソード電極３２とトリガ電極３３との間にトリガ放電を発生させた。カソード電極３２とワッシャ碍子３４とのつなぎ目から電子が発生した。この時、カソード電極３２とアノード電極３１の内面との間で、コンデンサユニット３７２に蓄電された電荷がアーク放電され、カソード電極３２に多量の電流(尖頭電流)が流入し、カソード電極からＦｅのプラズマが生成された。コンデンサユニット３７２に蓄電された電荷の放出により放電が停止した。このトリガ放電を複数回(３０、５０、１００及び３００ショット)繰り返し、そのトリガ放電毎にアーク放電を誘起させた。
【００４９】
上記したアーク放電の間、Ｆｅの融解により発生した微粒子(プラズマ化している原子状イオンやクラスタや電子等)が形成された。この微粒子をアノード電極３１の開口部Ａ側から真空チャンバ２１内に放出させ、被処理基板Ｓ上に供給し、Ｆｅ粒子を形成せしめた。
【００５０】
上記Ｆｅ粒子形成条件は、圧力：２．６６×１０−４Ｐａ、粒子形成レート：１ｎｍ／１００ショット、基板温度：２０℃であった。
【００５１】
かくして得られたＦｅ粒子の粒径は、上記ショット数に応じて、それぞれ、３、５、１０及び３０Åであった。
【００５２】
次いで、ＧＮＦ成長用原料ガスとしてＨ２ガスとＣＯガス(流量：２００／２００ｓｃｃｍ)とを用い、温度５２５℃で、熱ＣＶＤ法により、上記Ｆｅ粒子上にＧＮＦを成長せしめた。
【００５３】
かくして作製されたＧＮＦに対して、二極測定法により、電子放出特性(Ｉ−Ｖ特性)を評価した。その際のアノード−カソード間ギャップは０．５ｍｍとし、電圧３．５ｋＶまで印加して評価した。
(比較例１)
【００５４】
実施例１と同じ基板を用い、ＧＮＦ成長用触媒として、ＥＢ法により５０Å膜厚のＦｅ膜を形成し、次いで実施例１と同様の手法でＧＮＦ成長を行った。かくして作製されたＧＮＦに対して実施例１と同様の手法で二極測定を行って、Ｉ−Ｖ特性を評価した。
【００５５】
上記実施例１で得られたＩ−Ｖ特性評価結果、すなわち各Ｆｅ粒子の粒径(Å)における電圧(ｋＶ)と電流密度(μＡ)との関係をプロットし、比較例１の結果と共に図３に示す。図３において、ＡＰＧは同軸型真空アーク蒸着源装置を用いた場合を示す。図３から明らかなように、ＥＢ蒸着法により成膜した触媒金属の上に作製されたＧＮＦよりも、同軸型真空アーク蒸着源装置を用いて形成した触媒粒子の上に作製されたＧＮＦの方が、粒径が３〜３０Åの場合に、Ｉ−Ｖ特性が向上していることが分かる。同軸型真空アーク蒸着源装置を用いた場合のうち、触媒金属を３Å粒径で形成した場合のＧＮＦが最もＩ−Ｖ特性が良いことが分かる。
【００５６】
また、実施例１で得られたＧＮＦ(触媒粒子の粒径：３Å)のＳＥＭ像を図４に示す。図４から明らかなように、作製されたＧＮＦの直径は約５０ｎｍで、低密度成長していることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によれば、同軸型真空アーク蒸着装置を用いて形成した触媒金属粒子をカーボンナノ材料成長用触媒として用いることにより、直径が細く、かつ低密度成長したカーボンナノ材料を提供できるので、ＦＥＤのような次世代ディスプレイを製造する際に用いられる電子放出源の電子放出特性を向上させることができる。
【００５８】
従って、本発明は、次世代フラットパネルディスプレイの技術分野で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】ＥＢ蒸着によりＦｅ触媒を５ｎｍ成膜した基板上に成長させたＧＮＦのＳＥＭ像を示す写真。
【図２】本発明で用いる同軸型真空アーク蒸着装置の一構成例を模式的に示す構成図。
【図３】実施例１及び比較例１で得られたＧＮＦのＩ−Ｖ特性をプロットしたグラフ。
【図４】実施例１で得られたＧＮＦ(Ｆｅ粒子の粒径：３Å)のＳＥＭ像を示す写真。
【符号の説明】
【００６０】
２ 同軸型真空アーク蒸着装置 ３ 同軸型真空アーク蒸着源
２１ 真空チャンバ ２２ 基板ステージ
２３ 回転駆動手段 ２４ 回転機構
２５ 加熱手段 ２６ ガス導入系
２７ 真空排気系 ３１ アノード電極
３２ カソード電極 ３３ トリガ電極
３４ 絶縁碍子 ３５ 絶縁体
３６ トリガ電源 ３７ アーク電源
２６１ バルブ ２６２ マスフローコントローラー
２６３ ガスボンベ ２７１ バルブ
２７２ ターボ分子ポンプ ２７３ バルブ
２７４ ロータリーポンプ ３７１ 直流電圧源
３７２ コンデンサユニット Ａ 開口部
Ｓ 被処理基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出源及びその作製方法、並びに画像表示装置の製造方法に関し、特に同軸型真空アーク蒸着源を有する同軸型真空アーク蒸着装置を用いて形成した触媒粒子を利用して成長させたカーボンナノファイバー又はグラファイトナノファイバーを有する電子放出源及びその作製方法、並びにこの電子放出源を備えた画像表示装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子放出源として、カーボンナノファイバー(以下、ＣＮＦと称す)やグラファイトナノファイバー(以下、ＧＮＦと称す)のようなカーボンナノ材料が広く用いられている。これらのカーボンナノ材料は、優れた電子放出特性を持っており、フィールドエミッションディスプレイ(以下、ＦＥＤと称す)のような次世代ディスプレイには欠かせない材料となっている。これらのカーボンナノ材料は、一般に、電子ビーム蒸着法(ＥＢ)やスパッタ法で成膜した触媒金属上に成長させている(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
通常、成長したカーボンナノ材料の直径は、下地としての触媒金属の粒径に依存し、また、カーボンナノ材料の電子放出特性は、成長したカーボンナノ材料の直径と密度によって異なる。
【０００４】
しかし、ＥＢ法やスパッタ法で成膜した触媒金属は膜状になってしまい、上記カーボンナノ材料が密に成長し過ぎてしまい、満足すべき電子放出特性が得られないという問題がある。また、膜状の触媒金属が凝集して島状微粒子を形成したとしても、この島状微粒子上にある程度大きな直径を持つカーボンナノ材料が成長してしまい、直径の小さなカーボンナノ材料を成長せしめることは困難であった。
【特許文献１】特開２００４−１０７１６２号公報(特許請求の範囲、００２０等)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の課題は、上述の従来技術の問題点を解決することにあり、同軸型真空アーク蒸着源を備えた同軸型真空アーク蒸着装置を用いて形成した触媒金属粒子を利用して成長せしめたカーボンナノファイバー又はグラファイトナノファイバーを有する電子放出源及びその作製方法、並びにこの電子放出源を備えた画像表示装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電子放出源は、円筒状のトリガ電極と触媒金属で少なくとも先端部が構成された円筒状のカソード電極とが、円板状の絶縁碍子を挟んで隣接して配置され、そしてカソード電極とトリガ電極との周りに同軸状に円筒状のアノード電極が配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えている同軸型真空アーク蒸着装置を用い、トリガ電極とアノード電極との間にトリガ放電をパルス的に発生させ、カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を断続的に誘起させることにより基板上に形成された触媒金属からなる触媒粒子を用いて成長させたカーボンナノファイバー(ＣＮＦ)又はグラファイトナノファイバー(ＧＮＦ)を有することを特徴とする。
【０００７】
前記触媒金属は、鉄、ニッケル、銅、コバルト又はこれらの金属から選ばれた少なくとも１つの金属を含む合金であることを特徴とする。
【０００８】
上記電子放出源の場合、形成された触媒粒子の粒径が小さいため、ＣＮＦ又はＧＮＦは、直径が小さくなり、分散成長しやすく、電子放出特性に優れているので、電子放出源として有用である。
【０００９】
また、本発明の電子放出源の作製方法は、円筒状のトリガ電極と触媒金属で少なくとも先端部が構成された円筒状のカソード電極とが、円板状の絶縁碍子を挟んで隣接して配置され、そしてカソード電極とトリガ電極との周りに同軸状に円筒状のアノード電極が配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えている同軸型真空アーク蒸着装置を用い、トリガ電極とアノード電極との間にトリガ放電をパルス的に発生させ、カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を断続的に誘起させて、基板上に触媒金属からなる触媒粒子を形成し、次いでこの基板に対してＣＮＦ又はＧＮＦ用原料を供給し、触媒粒子上にＣＮＦ又はＧＮＦを成長させて、このＣＮＦ又はＧＮＦを有する電子放出源を作製することを特徴とする。
【００１０】
前記作製方法において、触媒金属は、鉄、ニッケル、銅、コバルト又はこれらの金属から選ばれた少なくとも１つの金属を含む合金であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の画像表示装置の製造方法は、複数の電子放出源と、前記電子放出源からの電子の放出によって発光する発光部材とを有する画像表出装置の製造方法であって、この電子放出源として、上記した電子放出源を用いるか、又は上記した作製方法によって電子放出源を作製することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、同軸型真空アーク蒸着源を備えた同軸型真空アーク蒸着装置を用いて形成した触媒粒子を利用することにより、直径が小さく、分散成長したＣＮＦやＧＮＦを提供できるので、このようなＣＮＦやＧＮＦを有する電子放出源は、ＦＥＤのような次世代フラットパネルディスプレイ等の電子放出エミッタを製造する際に、有用な電子放出源として利用できるという効果を奏する。
【００１３】
また、本発明によれば、満足できる電子放出特性により所望の発光が行われ得る画像表示装置を提供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】
【００１４】
本発明の電子放出源では、同軸型真空アーク蒸着源を備えた同軸型真空アーク蒸着装置を用いて形成した触媒粒子(ナノ金属粒子)上に成長させたＣＮＦやＧＮＦをカーボンナノ材料として用いることにより、電子放出特性を向上せしめている。前述の通り、ＥＢ蒸着法やスパッタ法で成膜した触媒金属は、膜状になってしまい、ＣＮＦやＧＮＦを、直径を細く、かつ分散して成長させることは困難である。そのため、スパッタ法等で成膜した触媒金属を用いて成長させたＣＮＦやＧＮＦからなる電子放出源を、例えばＦＥＤ用電子放出源として使用する場合、満足できる電子放出特性を得ることができない。
【００１５】
ＥＢ蒸着法により鉄を５ｎｍ厚さで成膜した基板を用いて、公知のＣＶＤ法(プロセス条件：Ｈ２：ＣＯ＝１：１、５２５℃、２０分保持)により、この鉄触媒上に成長させたＧＮＦのＳＥＭ写真像を図１に示す。図１から明らかなように、ＧＮＦの直径は約５００ｎｍと大きく、高密度で成長していることが分かる。
【００１６】
本発明の電子放出源として好適に用いられるＣＮＦやＧＮＦのようなファイバー状の場合、直径が細くかつ低密度成長している方が電子放出特性が向上する。これに対して、図１に示すように、ファイバー直径が太く高密度成長しているナノカーボン材料からなる電子放出源では、電子放出特性が悪くなってしまう。
【００１７】
上述したように、直径が細く、かつ低密度成長しているＣＮＦやＧＮＦを有する電子放出源を作製するには、同軸型真空アーク蒸着源を備えた同軸型真空アーク蒸着装置(アークプラズマガン：ＡＰＧ)を用いて、所定の粒径の触媒粒子を形成し、この触媒粒子をＣＮＦやＧＮＦ成長用触媒として用い、所定の原料ガスを供給してＣＮＦやＧＮＦを作製すれば良い。直径が細く、かつ低密度成長しているＣＮＦやＧＮＦを用いることにより、ＦＥＤのような次世代フラットパネルディスプレイにとって不可欠な電子放出特性を向上させることが可能な電子放出源を提供することができる。
【００１８】
本発明において使用する蒸着装置としては、円筒状のトリガ電極と、鉄、ニッケル、銅、又はコバルト等の触媒金属材料(これら金属の合金も含む)で少なくとも先端部が構成された円筒状のカソード電極と、このトリガ電極及びカソード電極の間に両者を離間させるために設けられた円板状の絶縁碍子と、カソード電極とトリガ電極との周りに同軸状に配置された円筒状のアノード電極とを有する同軸型真空アーク蒸着源を備え、この蒸着源のコンデンサを蒸着源近傍に設けてある同軸型真空アーク蒸着装置を用いる。上記カソード電極は、その全体が上記触媒金属材料で構成されていても、その先端部であるアノード電極の開口側方向の端部が上記触媒金属材料で構成されていても良い。
【００１９】
上記蒸着装置を用い、例えば、放電電圧を５０Ｖ以上、好ましくは５０Ｖ〜８００Ｖ、コンデンサ容量を８８００μＦ以下、間欠運転の周期を１〜１０Ｈｚ、放電時間を１０００μｓ以下、好ましくは３００μｓ以下に設定して、トリガ電極とアノード電極との間にトリガ放電を発生させて、カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を誘起させ、そしてカソード電極を構成する触媒金属から生じるプラズマ化されている金属粒子を蒸着装置の真空チャンバ内へ放出せしめ、真空チャンバ上方に設置された基板に供給し、基板上に触媒金属からなるナノ粒子を形成することができる。このような放電条件を用いれば、２〜５ｎｍ程度の触媒粒子を形成することができると共に、触媒粒子を基板に密着性よくつけることもできる。
【００２０】
本発明で使用できる好ましい基板としては、電子放出源用の基板、例えばシリコン、アモルファスカーボン、シリカ等からなる基板を挙げることができる。
【００２１】
上記した同軸型真空アーク蒸着源を備えた同軸型真空アーク蒸着装置を用いて行う触媒粒子を形成する方法の一実施の形態について、以下、この蒸着装置の一構成例を模式的に示す図２を参照して説明する。
【００２２】
図２を参照すれば、同軸型真空アーク蒸着装置２は、円筒状の真空チャンバ２１を有し、この真空チャンバ内の上方には、基板ステージ２２が水平に配置されている。真空チャンバ２１の上部壁には、基板ステージ２２を水平面内で回転させることができるように、基板ステージの上面の中心部に接続したモーター等の回転駆動手段２３を有する回転機構２４が設けられている。
【００２３】
被処理基板Ｓが固定される基板ステージ２２の面と反対側の面には、真空チャンバ壁面との間にヒータ等の加熱手段２５が設けられ、基板を所定の温度に加熱できるようになっている。１又は複数枚の被処理基板Ｓが保持・固定されて取り付けられ得る側の基板ステージ２２の面と対向して、真空チャンバ２１の下方には、１又は複数個の後述する同軸型真空アーク蒸着源３が、アノード電極３１の開口部Ａを真空チャンバ２１内へ向けて配置されている。
【００２４】
被処理基板Ｓの近傍には膜厚測定子(図示せず)を取り付けて、基板に付着する触媒粒子の大きさを測定できるように構成してもよい。
【００２５】
真空チャンバ２１の壁面には、ガス導入系２６及び真空排気系２７が接続されている。このガス導入系２６は、バルブ２６１、マスフローコントローラー２６２及びガスボンベ２６３がこの順序で金属製配管で接続されて構成されている。また、真空排気系２７は、バルブ２７１、ターボ分子ポンプ２７２、バルブ２７３及びロータリーポンプ２７４がこの順序で金属製真空配管で接続されており、真空チャンバ２１内を好ましくは１０−５Ｐａ以下に真空排気できるように構成されている。
【００２６】
図２に示すような、同軸型真空アーク蒸着装置２に設けられた同軸型真空アーク蒸着源３について以下説明する。
【００２７】
この蒸着源３は、一端が閉じ他端が開口し、ステンレス等から構成されている円筒状のアノード電極３１と、鉄等の触媒金属材料で構成されている円筒状のカソード電極３２と、ステンレス等から構成されている円板状のトリガ電極(例えば、リング状のトリガ電極)３３とから構成されている。
【００２８】
カソード電極３２は、アノード電極３１の内部に同軸状にアノード電極の壁面から一定の距離だけ離して設けられている。カソード電極３２は、その少なくとも先端部(アノード電極３１の開口部Ａ側方向の端部に相当する)だけが、同軸型真空アーク蒸着源のターゲットとなる前記金属材料から構成されていても良い。
【００２９】
トリガ電極３３は、ターゲット材料からなるカソード電極３２との間にアルミナ等から構成された絶縁碍子(ワッシャ碍子)３４を挟んで取り付けられている。カソード電極３２と絶縁碍子３４とトリガ電極３３の３つの部品は図示していないが、ネジ等で密着させて取り付けられている。絶縁碍子３４はカソード電極３２とトリガ電極３３とを絶縁するように取り付けられている。また、トリガ電極３３は絶縁体３５を介してカソード電極３２に取り付けられていてもよい。これらのアノード電極３１とカソード電極３２とトリガ電極３３とは、絶縁碍子３４及び絶縁体３５により電気的に絶縁が保たれていることが好ましい。この絶縁碍子３４と絶縁体３５とは一体型に構成されたものであっても別々に構成されたものでも良い。なお、アノード電極３１は、図示していないが、真空チャンバ２１の底面に取り付けられた真空フランジに支柱で取り付けられている。
【００３０】
カソード電極３２とトリガ電極３３との間にはパルストランスからなるトリガ電源３６が接続されており、また、カソード電極３２とアノード電極３１との間にはアーク電源３７が接続されている。アーク電源３７は直流電圧源３７１とコンデンサユニット３７２とからなり、この直流電圧源の両端は、アノード電極３１とカソード電極３２とに接続され、コンデンサユニット３７２と直流電圧源３７１とは並列接続されている。
【００３１】
本発明においては、このコンデンサユニット３７２は同軸型真空アーク蒸着源３の近傍に取り付けられる。すなわち、カソード電極３２及びアノード電極３１との接続ラインを短く、例えば、１００ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度の距離になるように取り付けることが必要である。これにより、同軸型真空アーク蒸着源３が所望の放電機能を果たすことができる。
【００３２】
コンデンサユニット３７２は、複数個のコンデンサ(図２では、３個のコンデンサを例示してある)が接続したものであって、その１つの容量が例えば２２００μＦであり、直流電圧源３７１により随時充電される。トリガ電源３６は、例えば入力２００Ｖのμ秒のパルス電圧を約１７倍に変圧して、３．４ｋＶ(数μＡ)、極性：プラスを出力している。アーク電源３７は、例えば８００Ｖ、数Ａの容量の直流電源であって、コンデンサユニット３７２(４個のコンデンサの場合、８８００μＦ)を充電している。この充電時間を約０．１〜１秒とすれば、本システムにおいて４個のコンデンサからなるコンデンサユニットを用いる場合、８８００μＦで放電を繰り返す場合の周期は１〜１０Ｈｚで行われ得る。トリガ電源３６のプラス出力端子は、トリガ電極３３に接続され、マイナス端子は、アーク電源３７のマイナス側出力端子と同じ電位に接続され、カソード電極３２に接続されている。アーク電源３７のプラス端子はグランド電位に接地され、アノード電極３１に接続されている。コンデンサユニット３７２の両端子は直流電圧源３７１のプラス端子及びマイナス端子間に接続されている。
【００３３】
上記同軸型真空アーク蒸着源３を用いてアーク放電を誘起させるには、例えば、まず、直流電圧源３７１により４個のコンデンサからなるコンデンサユニット３７２に１００Ｖで電荷を充電し、コンデンサユニット３７２の容量を８８００μＦに設定する。
【００３４】
この充電電圧をアノード電極３１とカソード電極３２とに印加する。この場合、触媒金属材料には、カソード電極３２を介してコンデンサユニット３７２が出力する負電圧が印加される。この状態で、トリガ電源３６からトリガ電極３３に３．４ｋＶのパルス状電圧を出力し、カソード電極３２とトリガ電極３３との間に絶縁碍子３４を介して印加すると、カソード電極３２とトリガ電極３３との間にトリガ放電(絶縁碍子３４表面での沿面放電)が発生する。カソード電極３２と絶縁碍子３４とのつなぎ目からは電子が放出される。
【００３５】
上記したトリガ放電によって、アノード電極３１とカソード電極３２との間の耐電圧が低下し、アノード電極の内周面とカソード電極の側面との間で、コンデンサユニット３７２に蓄電された電荷がアーク放電される。
【００３６】
コンデンサユニット３７２に充電された電荷のアーク放電により、多量の電流がカソード電極３２に流れ、カソード電極３２の側面から鉄等の触媒金属材料の蒸気が放出され、プラズマ化される。この時、アーク電流は、カソード電極３２の中心軸上を流れ、アノード電極３１内に磁界が形成される。コンデンサユニット３７２に蓄電された電荷の放出により放電は停止する。このトリガ放電を複数回繰り返し、そのトリガ放電毎にアーク放電を誘起させることが好ましい。
【００３７】
アーク放電によりカソード電極３２からアノード電極３１内に放出された電子は、アーク電流によって形成される磁界により電流が流れる向きとは逆向きのローレンツ力を受けて飛行し、開口部Ａから真空チャンバ２１内へ放出される。
【００３８】
すなわち、同軸型真空アーク蒸着源３での上記したアーク放電の間、カソード電極３２を構成する触媒金属材料の融解により発生した微粒子(プラズマ化している原子状イオンやクラスタや電子等)が形成される。このカソード電極から放出された金属の蒸気には、荷電粒子であるイオンと中性粒子とが含まれており、電荷が質量に比べて小さい(電荷質量比の小さい)巨大荷電粒子や中性粒子は直進し、アノード電極３１の壁面に衝突するが、電荷質量比の大きな荷電粒子であるイオンは、クーロン力により電子に引きつけられるように飛行し、アノード電極の開口部(放出口)Ａから真空チャンバ２１内へ放出される。
【００３９】
上記した金属微粒子の放出は、詳細には次のようにして行われる。カソード電極３２に多量の電流が流れるので、カソード電極に磁場が形成され、この時発生したプラズマ中の電子(この電子はカソード電極からアノード電極３１の円筒内面に飛行する)が自己形成した磁場によってローレンツ力を受け、前方に飛行する。一方、プラズマ中のカソード電極材料の金属イオンは、電子が前記したように飛行し分極することでクーロン力により前方の電子に引きつけられるようにして前方に飛行し、被処理基板Ｓ上に触媒粒子が付着することになる。
【００４０】
同軸型真空アーク蒸着源３と所定の距離(例えば、８０ｍｍ)離れた上方の位置には、被処理基板Ｓが、基板ステージ２２の中心をその中心とする同心円上を回転しながら通過している。そこで、真空チャンバ２１内へ放出された金属の蒸気中のイオン等が、同軸型真空アーク蒸着源３に対向する基板ステージ２２表面に主面を開口部Ａに向けて取り付けられている被処理基板Ｓの表面に達すると、金属微粒子が各基板表面に付着し、凝集して直径数ｎｍの触媒粒子が形成される。この被処理基板Ｓは、所望により、加熱手段２５によって所定の温度に加熱されることができる。
【００４１】
１回のトリガ放電でアーク放電が１回誘起され、アーク電流が３００μ秒流れる。上記コンデンサユニット３７２の充電時間が約１秒である場合、１Ｈｚの周期でアーク放電を発生させることができる。所望の粒径(例えば、２〜５ｎｍ程度)に応じて、所定の回数(例えば、５〜５００回)のアーク放電を発生させ、被処理基板Ｓの表面に触媒粒子を形成せしめる。
【００４２】
本発明では、上記した場合のアーク放電の尖頭電流が２０００Ａ以上になるように、コンデンサユニット３７２の配線長を好ましくは１０〜５０ｍｍとし、また、カソード電極３２に接続されたコンデンサユニットの容量を好ましくは２２００〜８８００μＦとし、放電電圧を５０Ｖ以上、好ましくは５０〜８００Ｖ、より好ましくは６０〜４００Ｖに設定して、１回のアーク放電によるアーク電流を１０００μ秒以下、好ましくは３００μ秒以下の短い時間で消滅させるようにすることが望ましい。また、このトリガ放電は、１秒に１〜１０回程度発生させることが好ましい。
【００４３】
上記したようにして形成した触媒粒子を有する基板に対してＣＮＦやＧＮＦを作製するために用いる原料は、特に制限されず、公知の原料を使用できる。例えば、Ｈ２とＣＯ(例えば、１：１の流量割合)との組み合わせや、Ｈ２とＣＨ４やＣ２Ｈ２等の飽和若しくは不飽和の炭化水素又はアルコール類等との組み合わせ等を挙げることができる。この場合、炭化水素はＮ２やＡｒやＨｅ等の不活性ガスで希釈されたものであっても良い。また、ＣＮＦやＧＮＦ成長プロセスの条件も、特に制限されず、通常の成長プロセス条件で良い。例えば、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、リモートプラズマ法、又はレーザーアブレーション法等を用いて、公知のプロセス条件でこのカーボンナノ材料の成長を行うことができる。好ましくは、ＣＶＤ法である。
【００４４】
また、本発明の画像表示装置の製造方法は、上記した本発明の電子放出源を用いて、公知の方法により行うことができる。例えば、複数の本発明の電子放出源と、この電子放出源からの電子の放出によって発光する発光部材とを、公知の手段で組み合せることにより画像表示装置を製造できる。
【００４５】
以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明について詳細に説明する。
【００４６】
以下の実施例では、次世代フラットパネルディスプレイに欠かすことのできない電子放出源として、ＧＮＦを有する電子放出源を選び、このＧＮＦ成長用触媒となる金属粒子としてＦｅ粒子を、図２に示す同軸型真空アーク蒸着装置を用いて形成した。
【実施例１】
【００４７】
図２に示す同軸型真空アーク蒸着源を備えた同軸型真空アーク蒸着装置を用い、ターゲット材としてのＦｅで構成されたカソード電極を配置して、石英基板上にＦｅ触媒粒子を形成し、次いでこの触媒粒子上にＣＶＤ法によりＧＮＦを成長せしめた。
【００４８】
Ｆｅ触媒粒子を形成する前に、直流電圧源３７１によりコンデンサユニット３７２に６０Ｖで電荷を充電し、コンデンサユニット３７２の容量を８８００μＦに設定した。次いで、トリガ電源３６からトリガ電極３３にパルス電圧を出力し(出力：３．４ｋＶ)、カソード電極３２とトリガ電極３３との間にワッシャ碍子３４を介して印加することで、カソード電極３２とトリガ電極３３との間にトリガ放電を発生させた。カソード電極３２とワッシャ碍子３４とのつなぎ目から電子が発生した。この時、カソード電極３２とアノード電極３１の内面との間で、コンデンサユニット３７２に蓄電された電荷がアーク放電され、カソード電極３２に多量の電流(尖頭電流)が流入し、カソード電極からＦｅのプラズマが生成された。コンデンサユニット３７２に蓄電された電荷の放出により放電が停止した。このトリガ放電を複数回(３０、５０、１００及び３００ショット)繰り返し、そのトリガ放電毎にアーク放電を誘起させた。
【００４９】
上記したアーク放電の間、Ｆｅの融解により発生した微粒子(プラズマ化している原子状イオンやクラスタや電子等)が形成された。この微粒子をアノード電極３１の開口部Ａ側から真空チャンバ２１内に放出させ、被処理基板Ｓ上に供給し、Ｆｅ粒子を形成せしめた。
【００５０】
上記Ｆｅ粒子形成条件は、圧力：２．６６×１０−４Ｐａ、粒子形成レート：１ｎｍ／１００ショット、基板温度：２０℃であった。
【００５１】
かくして得られたＦｅ粒子の粒径は、上記ショット数に応じて、それぞれ、３、５、１０及び３０Åであった。
【００５２】
次いで、ＧＮＦ成長用原料ガスとしてＨ２ガスとＣＯガス(流量：２００／２００ｓｃｃｍ)とを用い、温度５２５℃で、熱ＣＶＤ法により、上記Ｆｅ粒子上にＧＮＦを成長せしめた。
【００５３】
かくして作製されたＧＮＦに対して、二極測定法により、電子放出特性(Ｉ−Ｖ特性)を評価した。その際のアノード−カソード間ギャップは０．５ｍｍとし、電圧３．５ｋＶまで印加して評価した。
(比較例１)
【００５４】
実施例１と同じ基板を用い、ＧＮＦ成長用触媒として、ＥＢ法により５０Å膜厚のＦｅ膜を形成し、次いで実施例１と同様の手法でＧＮＦ成長を行った。かくして作製されたＧＮＦに対して実施例１と同様の手法で二極測定を行って、Ｉ−Ｖ特性を評価した。
【００５５】
上記実施例１で得られたＩ−Ｖ特性評価結果、すなわち各Ｆｅ粒子の粒径(Å)における電圧(ｋＶ)と電流密度(μＡ)との関係をプロットし、比較例１の結果と共に図３に示す。図３において、ＡＰＧは同軸型真空アーク蒸着源装置を用いた場合を示す。図３から明らかなように、ＥＢ蒸着法により成膜した触媒金属の上に作製されたＧＮＦよりも、同軸型真空アーク蒸着源装置を用いて形成した触媒粒子の上に作製されたＧＮＦの方が、粒径が３〜３０Åの場合に、Ｉ−Ｖ特性が向上していることが分かる。同軸型真空アーク蒸着源装置を用いた場合のうち、触媒金属を３Å粒径で形成した場合のＧＮＦが最もＩ−Ｖ特性が良いことが分かる。
【００５６】
また、実施例１で得られたＧＮＦ(触媒粒子の粒径：３Å)のＳＥＭ像を図４に示す。図４から明らかなように、作製されたＧＮＦの直径は約５０ｎｍで、低密度成長していることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によれば、同軸型真空アーク蒸着装置を用いて形成した触媒金属粒子をカーボンナノ材料成長用触媒として用いることにより、直径が細く、かつ低密度成長したカーボンナノ材料を提供できるので、ＦＥＤのような次世代ディスプレイを製造する際に用いられる電子放出源の電子放出特性を向上させることができる。
【００５８】
従って、本発明は、次世代フラットパネルディスプレイの技術分野で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】ＥＢ蒸着によりＦｅ触媒を５ｎｍ成膜した基板上に成長させたＧＮＦのＳＥＭ像を示す写真。
【図２】本発明で用いる同軸型真空アーク蒸着装置の一構成例を模式的に示す構成図。
【図３】実施例１及び比較例１で得られたＧＮＦのＩ−Ｖ特性をプロットしたグラフ。
【図４】実施例１で得られたＧＮＦ(Ｆｅ粒子の粒径：３Å)のＳＥＭ像を示す写真。
【符号の説明】
【００６０】
２ 同軸型真空アーク蒸着装置 ３ 同軸型真空アーク蒸着源
２１ 真空チャンバ ２２ 基板ステージ
２３ 回転駆動手段 ２４ 回転機構
２５ 加熱手段 ２６ ガス導入系
２７ 真空排気系 ３１ アノード電極
３２ カソード電極 ３３ トリガ電極
３４ 絶縁碍子 ３５ 絶縁体
３６ トリガ電源 ３７ アーク電源
２６１ バルブ ２６２ マスフローコントローラー
２６３ ガスボンベ ２７１ バルブ
２７２ ターボ分子ポンプ ２７３ バルブ
２７４ ロータリーポンプ ３７１ 直流電圧源
３７２ コンデンサユニット Ａ 開口部
Ｓ 被処理基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のトリガ電極と触媒金属で少なくとも先端部が構成された円筒状のカソード電極とが、円板状の絶縁碍子を挟んで隣接して配置され、そして前記カソード電極とトリガ電極との周りに同軸状に円筒状のアノード電極が配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えている同軸型真空アーク蒸着装置を用い、前記トリガ電極とアノード電極との間にトリガ放電をパルス的に発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を断続的に誘起させることにより基板上に形成された前記触媒金属からなる触媒粒子を用いて成長させたカーボンナノファイバー又はグラファイトナノファイバーを有することを特徴とする電子放出源。
【請求項２】
前記触媒金属が、鉄、ニッケル、銅、コバルト又はこれらの金属から選ばれた少なくとも１つの金属を含む合金であることを特徴とする請求項１記載の電子放出源。
【請求項３】
円筒状のトリガ電極と触媒金属で少なくとも先端部が構成された円筒状のカソード電極とが、円板状の絶縁碍子を挟んで隣接して配置され、そして前記カソード電極とトリガ電極との周りに同軸状に円筒状のアノード電極が配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えている同軸型真空アーク蒸着装置を用い、前記トリガ電極とアノード電極との間にトリガ放電をパルス的に発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を断続的に誘起させて、基板上に前記触媒金属からなる触媒粒子を形成し、次いでこの基板に対してカーボンナノファイバー又はグラファイトナノファイバー用原料を供給し、前記触媒粒子上にカーボンナノファイバー又はグラファイトナノファイバーを成長させて、カーボンナノファイバー又はグラファイトナノファイバーを有する電子放出源を作製することを特徴とする電子放出源の作製方法。
【請求項４】
前記触媒金属が、鉄、ニッケル、銅、コバルト又はこれらの金属から選ばれた少なくとも１つの金属を含む合金であることを特徴とする請求項３記載の電子放出源の作製方法。
【請求項５】
複数の電子放出源と、前記電子放出源からの電子の放出によって発光する発光部材とを有する画像表示装置の製造方法であって、前記電子放出源として、請求項１若しくは２記載の電子放出源を用いるか、又は請求項３若しくは４記載の作製方法によって電子放出源を作製することを特徴とする画像表示装置の製造方法。
【請求項１】
円筒状のトリガ電極と触媒金属で少なくとも先端部が構成された円筒状のカソード電極とが、円板状の絶縁碍子を挟んで隣接して配置され、そして前記カソード電極とトリガ電極との周りに同軸状に円筒状のアノード電極が配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えている同軸型真空アーク蒸着装置を用い、前記トリガ電極とアノード電極との間にトリガ放電をパルス的に発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を断続的に誘起させることにより基板上に形成された前記触媒金属からなる触媒粒子を用いて成長させたカーボンナノファイバー又はグラファイトナノファイバーを有することを特徴とする電子放出源。
【請求項２】
前記触媒金属が、鉄、ニッケル、銅、コバルト又はこれらの金属から選ばれた少なくとも１つの金属を含む合金であることを特徴とする請求項１記載の電子放出源。
【請求項３】
円筒状のトリガ電極と触媒金属で少なくとも先端部が構成された円筒状のカソード電極とが、円板状の絶縁碍子を挟んで隣接して配置され、そして前記カソード電極とトリガ電極との周りに同軸状に円筒状のアノード電極が配置されている同軸型真空アーク蒸着源を備えている同軸型真空アーク蒸着装置を用い、前記トリガ電極とアノード電極との間にトリガ放電をパルス的に発生させ、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を断続的に誘起させて、基板上に前記触媒金属からなる触媒粒子を形成し、次いでこの基板に対してカーボンナノファイバー又はグラファイトナノファイバー用原料を供給し、前記触媒粒子上にカーボンナノファイバー又はグラファイトナノファイバーを成長させて、カーボンナノファイバー又はグラファイトナノファイバーを有する電子放出源を作製することを特徴とする電子放出源の作製方法。
【請求項４】
前記触媒金属が、鉄、ニッケル、銅、コバルト又はこれらの金属から選ばれた少なくとも１つの金属を含む合金であることを特徴とする請求項３記載の電子放出源の作製方法。
【請求項５】
複数の電子放出源と、前記電子放出源からの電子の放出によって発光する発光部材とを有する画像表示装置の製造方法であって、前記電子放出源として、請求項１若しくは２記載の電子放出源を用いるか、又は請求項３若しくは４記載の作製方法によって電子放出源を作製することを特徴とする画像表示装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−２３４９７３（Ｐ２００８−２３４９７３Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７２２６８（Ｐ２００７−７２２６８）
【出願日】平成１９年３月２０日（２００７．３．２０）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２０日（２００７．３．２０）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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