電子放出源及びその製造方法
【課題】 放電破壊耐圧が向上し、放出電流性能に優れた電子放出源及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明による電子放出源は、基板２と、基板２上に配置されたカソード電極３と、カソード電極３上に配置され、カソード電極３を露出させるように複数のエミッタホール７が配置された絶縁層４と、絶縁層４を介して配置され、エミッタホール７と連通した開口部８が形成されたひさし部９を有するゲート電極５と、カソード電極３上のエミッタホール７領域に配置された電子放出部６とを備える。露出したカソード電極３表面は凹部３３を有する。
【解決手段】 本発明による電子放出源は、基板２と、基板２上に配置されたカソード電極３と、カソード電極３上に配置され、カソード電極３を露出させるように複数のエミッタホール７が配置された絶縁層４と、絶縁層４を介して配置され、エミッタホール７と連通した開口部８が形成されたひさし部９を有するゲート電極５と、カソード電極３上のエミッタホール７領域に配置された電子放出部６とを備える。露出したカソード電極３表面は凹部３３を有する。
【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製造方法に関し、特に、放電破壊耐圧の向上したゲート電極を備えた電子放出源及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＦＥＡ（Field Emission Array）型電子放出装置を用いた表示装置として電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ：Field Emission Display）の開発が進められている。この中で、冷陰極電子放出源の有力材料の一つとして、注目されているカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）やグラファイトナノファイバー（ＧＮＦ）を備えたＦＥＤが知られている（例えば、特許文献１参照。）。ＣＮＴやＧＮＦは、高いアスペクト比とナノオーダーの先鋭な形状を有しており、電界集中が生じやすいため高い放出電流密度が期待できる。
【０００３】
図１２に、従来のＦＥＤの構造の一例を示した。このＦＥＤ２１は、基板２２上にカソード電極２３、絶縁層２４、及びゲート電極２５が順に積層された電子エミッタ構造を有する。絶縁層２４にはカソード電極２３の上面を露出させるエミッタホール２７が形成され、エミッタホール２７のカソード電極２３表面には、電子を放出させるＧＮＦ等の電子放出部２６が設けられている。そして、電子放出部２６を挟みカソード電極２３に対向するように蛍光体３０とアノード電極３１が設けられたアノード基板３２が配置されている。
【０００４】
通常、上記電子エミッタ構造を作製するに当たっては、カソード電極２３／絶縁層２４／ゲート電極２５構造を作製し、エミッタホール２７をウェットエッチングにより形成する方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１７０４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の構造では、ウェットエッチングによって等方的に絶縁層２４がエッチングされて、ゲート電極２５の開口部２８付近は絶縁層２４が侵食されてひさし部２９が生じるため、構造的に弱くカソード電極２３とゲート電極２５間の放電により構造が破壊されやすい、つまり放電破壊耐圧が低いといった問題があった。また、ひさし部２９を除去しようとすると、カソード電極２３までエッチング除去され失われるおそれがあった。さらに、ウェットエッチングの実施の際には、構造的に気泡が残りやすく泡がみによるエッチング不良が生じるといった問題があった。
【０００７】
また、ひさし部２９が大きいと、ひさし部２９の下方より成長したＣＮＴ或いはＧＮＦにより、カソード電極２３とゲート電極２５がショートし易くなり、電界がかからずに電子を放出できなくなるといった問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、放電破壊耐圧が向上し、放出電流性能に優れた電子放出源及びそ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】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置されたカソード電極と、前記カソード電極上に配置され、前記カソード電極を露出させるように複数のエミッタホールが配置された絶縁層と、前記絶縁層を介して配置され、前記エミッタホールと連通した開口部が形成されたひさし部を有するゲート電極と、前記カソード電極上の前記エミッタホール領域に配置された電子放出部とを備え、前記露出したカソード電極表面に凹部を有することを特徴とする電子放出源が提供される。
【００１０】
上記目的を達成するための本発明の他の態様によれば、基板を準備する第１工程と、前記基板上にカソード電極、絶縁層及びゲート電極を順次形成した後、所定の大きさの孔を複数有するレジスト膜を形成する第２工程と、前記ゲート電極の前記孔に対向する面を電極用エッチングにより穿孔して開口部を形成する第３工程と、前記絶縁層に絶縁層用エッチングによりエミッタホールを形成し、該エミッタホール領域の前記カソード電極表面を露出させる第４工程と、電極用エッチングにより、前記開口部をさらに拡げるとともに、前記露出したカソード電極表面に凹部が形成される第５工程と、前記カソード電極の凹部上に電子放出部を成長させるための触媒を成膜した後、前記レジスト膜を除去する第６工程と、前記カソード電極上の前記触媒を介して前記電子放出部を形成する第７工程とを有することを特徴とする電子放出源の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、放電破壊耐圧が向上し、放出電流性能に優れた電子放出源及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤの模式的断面構造図。
【図２】図１を拡大した模式的断面構造図。
【図３】カソード電極とゲート電極との位置関係を示す模式的平面図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤの製造工程の一工程を説明する図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤの製造工程の一工程を説明する図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤの製造工程の一工程を説明する図。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤの製造工程の一工程におけるＳＥＭ写真を示す図であって、（ａ）ＦＥＤ中間体の一部破断斜視図、（ｂ）（ａ）の拡大図、（ｃ）（ａ）の一部縦断面図、（ｄ）（ｃ）の拡大図。
【図８】ＦＥＤの一部破断斜視のＳＥＭ写真を示す図であって、（ａ）本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤ（ひさし部０．２μｍ）、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤ（ひさし部０．５μｍ）、（ｃ）従来のＦＥＤ（ひさし部１．８μｍ）、を示す図。
【図９】絶縁層の第２段階目のエッチングにおけるエッチング時間と放電破壊電圧の関係を示す図。
【図１０】ひさし部の大きさと放電破壊電圧の関係を示す図。
【図１１】本発明に係るＦＥＤの電子放出特性を示す図。
【図１２】従来のＦＥＤの模式的断面構造図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態によるＦＥＤを説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なり、また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることに留意すべきである。
【００１４】
[第１の実施の形態]
（電子放出源の構造）
本発明の第１の実施の形態に係る電子放出源としてのＦＥＤ１について、図１〜３を参照して説明する。図１及び２に示すように、本実施の形態のＦＥＤ１は、基板２と、基板２上に配置されたカソード電極３と、カソード電極３上に配置され、カソード電極３を露出させるように複数のエミッタホール７が配置された絶縁層４と、絶縁層４を介して配置され、エミッタホール７と連通した開口部８が形成されたひさし部９を有するゲート電極５と、カソード電極３上のエミッタホール７領域に配置された電子放出部６とを備える。露出したカソード電極３表面は凹部３３を有する。なお、図２では電子放出部６を省略して示してある。
【００１５】
カソード基板２は、例えば、絶縁性のガラス基板からなる。
【００１６】
カソード電極３は、カソード基板２上に配置されている。カソード電極３は、例えば、クロム（Ｃｒ）等の金属からなる。図３に示すように、カソード電極３は、例えば、約１６μｍ程度の幅を有する帯状に配置されている。複数のカソード電極３は、互いに平行になるように、例えば、約４μｍ程度の間隔で配置されている。なお、図３は、カソード電極３とゲート電極５との配置関係を示したものであり、絶縁層４やアノード基板１２等は省略して示してある。
【００１７】
カソード電極３の幅及び間隔は適宜変更可能である。一例として、カソード電極３を、例えば、約８５μｍ程度の幅で配置し、例えば、約１５μｍ程度の間隔で配置してもよい。これにより、ＲＧＢの３色で蛍光体１０を構成すると、例えば、約３００μｍ程度のピッチのピクセル（約１００μｍピッチのサブピクセル）を実現できる。
【００１８】
カソード電極３は、後述するように、ゲート電極５の開口部８を拡げる際のエッチングによりカソード電極３も同時にエッチングされ凹部３３が形成される。このとき、カソード電極３の適切な厚みを確保するために、カソード電極３の厚みは、ゲート電極５の厚みの２〜４倍、好ましくは、２．５〜３倍であるのがよい。具体的には、例えば、約７００〜９００ｎｍ、好ましくは、約７５０〜８５０ｎｍである。上述のような厚みにすることで、カソード電極３表面がエッチングにより凹部３３が形成される際、カソード電極３が除去され失われることはない。カソード電極３表面に形成される凹部３３の深さは、例えば、約２５０〜４５０ｎｍ、好ましくは、約３００〜４００ｎｍである。
【００１９】
絶縁層４は、カソード電極３とゲート電極５とを絶縁するためのものであり、例えば、ＳｉＯ２等からなる。絶縁層４は、カソード電極３表面を覆い、エミッタホール７領域のカソード電極３表面を露出するように配置されている。絶縁層４の厚みは、例えば、約１〜３μｍ程度であるのがよい。
【００２０】
電子放出部６は、電子を放出する機能を有するものである。電子放出部６は、カソード電極３表面のエミッタホール７に露出した領域の中央部に配置されている。電子を放出するものとしては、略真空中で電界を加えれば電子を放出し、かつナノサイズのものであれば、特に限定されない。例えば、グラファイトナノファイバー（ＧＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）等が挙げられる。好ましくは、例えば、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の直径を有するＧＮＦからなるのがよい。
【００２１】
ゲート電極５は、電子放出部６から電子を引き出すためのものであり、例えば、カソード電極３と同一の材料であるクロム等の金属からなる。ゲート電極５は、絶縁層４の上面に配置されている。図３に示すように、ゲート電極５は、例えば、約１６μｍ程度の幅を有し、カソード電極３と直交する方向に延びて帯状に形成されている。複数のゲート電極５は、例えば、約４μｍ程度の間隔で配置されている。
【００２２】
ゲート電極５の幅及び間隔は適宜変更可能である。一例として、ゲート電極５を、例えば、約８５μｍ程度の幅に形成し、例えば、約１５μｍ程度の間隔で配置してもよい。これにより、ＲＧＢの３色で蛍光体１０を構成すると、例えば、約３００μｍ程度ピッチのピクセル（約１００μｍピッチのサブピクセル）を実現できる。
【００２３】
ゲート電極５及び絶縁層４には、図３に示すように、カソード電極３とゲート電極５が交差する領域（以下で、画素領域という。）にカソード電極３の一部を露出させるためのエミッタホール７が複数形成されている。エミッタホール７は、平面視で略円形を有しており、平均直径は、例えば、約１０μｍ程度以下、好ましくは、約１〜８μｍ程度、より好ましくは、約１〜６μｍ程度であるのがよい。
【００２４】
ゲート電極５は、図２に示すように、エミッタホール７と連通した開口部８を有する。開口部８は、エミッタホール７の中心部に対して凹部３３の外周部１３より外側に形成されているのが好ましい。開口部８は、平面視で略円形を有しており、平均直径は、凹部３３の外周部１３より外側になる大きさであれば、特に限定されない。例えば、約１２μｍ程度以下、好ましくは、約２〜１０μｍ程度、より好ましくは、約２〜８μｍ程度であるのがよい。
【００２５】
ゲート電極５の厚みは、例えば、２５０〜４００ｎｍ、好ましくは、２５０〜３００ｎｍであるのがよい。
【００２６】
ゲート電極５の開口部８周縁部にはひさし部９が形成されており、ひさし部９の下方には、ひさし部９と絶縁層４に囲まれた中空部１４が形成されている。ひさし部９の長さ（大きさ）は、ゼロより大きく絶縁層４の厚みより小さいのがよい。好ましくは、０μｍを超え２．０μｍ以下、より好ましくは、０μｍを超え１．５μｍ以下、さらに好ましくは、０μｍを超え１．０μｍ以下、であるのがよい。なお、ひさし部９及び中空部１４は、後述するように、絶縁層４の第２段階目のエッチングの際に形成される。
【００２７】
蛍光体１０は、電子放出部６から放出された電子が衝突することにより、所望の色の光を発光させるためのものである。なお、蛍光体１０は、単層として図面に記載しているが、異なる複数の色を発光可能なドット状に形成してもよい。蛍光体１０は、アノード電極１１の下面に配置されている。
【００２８】
アノード電極１１は、電子放出部６から放出された電子を蛍光体１０へと衝突させるためのものである。アノード電極１１は、光を透過可能なＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）からなり、アノード基板１２の下面に形成されている。アノード電極１１は、帯状に形成されている。アノード電極１１は、カソード電極３と同じ方向に延びるように平行に形成されている。
【００２９】
アノード基板１２は、例えば、光を透過可能なガラス基板からなる。
【００３０】
（動作原理）
本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤ１の動作原理は以下の通りである。
まず、カソード電極３に負の電圧を印加し、ゲート電極５には正の電圧を印加して、カソード電極３とゲート電極５との間に形成される電界により電子放出部６を構成するＧＮＦから電子を放出させる。一方、アノード電極１１に高い正の電圧を印加して、放出された電子をアノード電極１１方向に加速させる。放出された電子は、ビームとなってゲート電極５に向って進みつつ、アノード電極１１に向って加速されて、蛍光体１０に衝突し、これにより発光させることができる。
【００３１】
（製造方法）
図４〜６は、本発明の第１の実施の形態によるＦＥＤ１の製造方法を説明する図である。
本実施の形態によるＦＥＤ１の製造方法は、基板２を準備する第１工程と、基板２上にカソード電極３、絶縁層４及びゲート電極５を順次形成した後、所定の大きさの孔を複数有するレジスト膜１５を形成する第２工程と、ゲート電極５の孔に対向する面を電極用エッチングにより穿孔して開口部８を形成する第３工程と、絶縁層４を絶縁層用エッチングによりエミッタホール７を形成し、エミッタホール７領域のカソード電極３表面を露出させる第４工程と、電極用エッチングにより、開口部８をさらに拡げるとともに、露出したカソード電極３表面に凹部３３が形成される第５工程と、カソード電極３の凹部３３上に電子放出部６を成長させるための触媒１６を成膜した後、レジスト膜１５を除去する第６工程と、カソード電極３上の触媒１６を介して電子放出部６を形成する第７工程とを有する。
【００３２】
また、第５工程の後、絶縁層用エッチングにより絶縁層４を除去し、開口部８の周縁部と絶縁層４の間に中空部１４を形成することにより所定の大きさのひさし部９を形成する工程をさらに有することが好ましい。
【００３３】
以下に、製造工程を詳述する。
（ａ）まず、図４（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ及びリフトオフ法等により、カソード基板２上にパターニングされた、例えばクロム等からなるカソード電極３を形成する。次いで、フォトリソグラフィ及びリフトオフ法等により、カソード電極３を覆うように絶縁層４を形成する。更に、フォトリソグラフィ及びスパッタリング法により絶縁層４上に帯状の、例えばクロム等からなるゲート電極５を形成する。ここでゲート電極５は、平面視にて、図３に示したように、エミッタホール７が形成される画素領域でカソード電極３と直交するようにパターニングされる。
次いで、所定の大きさの孔を複数有するレジスト膜１５を形成する。孔の大きさは、電子放出部６を形成する領域と同じ程度の大きさとするのがよい。
【００３４】
（ｂ）次に、図４（ｂ）に示すように、エッチャントとして硝酸第２セリウムアンモニウムと過塩素酸あるいは硝酸を水で希釈した混合液を用いてウェットエッチングすることにより、レジスト膜１５が被覆されていない孔の領域のゲート電極５を除去して、ゲート電極５にレジスト膜１５の孔と同じパターンの孔を形成する。
【００３５】
（ｃ）次に、図４（ｃ）に示すように、エッチャントとしてフッ酸溶液又はフッ酸と硝酸の混合液等を用いてウェットエッチングを行い、エミッタホール７を形成する。このとき、カソード電極３上のエミッタホール７領域が露出するようにエッチングする（第１段階目のエッチング）。
【００３６】
（ｄ）次に、図５（ｄ）に示すように、エッチャントとして硝酸第２セリウムアンモニウムと過塩素酸あるいは硝酸を水で希釈した混合液を用いたウェットエッチングにより、ゲート電極５の開口部８を後退させ、開口部８を拡げる。このとき、カソード電極３のエミッタホール７領域に露出した部分もエッチングされ、凹部３３が形成される。
【００３７】
（ｅ）次に、図５（ｅ）に示すように、エッチャントとしてフッ酸溶液又はフッ酸と硝酸の混合液等を用いてウェットエッチングを行い、カソード電極３の開口部８よりエミッタホール７側にある絶縁層４を除去する（第２段階目のエッチング）。このとき、エミッタホール７の側壁部もエッチングされ、ゲート電極５の開口部８周縁部の下方の絶縁層４も除去され、中空部１４が形成されると共に、ひさし部９が形成される。
【００３８】
ここで、ひさし部９の大きさは、エッチング時間を適宜調整することにより所定の大きさのひさし部９を形成することができる。
【００３９】
図７（ａ）〜（ｄ）に、絶縁層４の第２段階目のエッチングを行った後、レジスト膜１５を除去して撮影したＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）写真を示した。このときの第２段階目のエッチングの時間は、約１分であった。
【００４０】
なお、第２段階目のエッチングにおいては、フッ酸溶液等の混合液を浸漬させる前に、絶縁層４と実質的に反応しない液体を浸漬させた後、この液体にフッ酸溶液等の混合液を添加するのがよい。これはウェットエッチングの際、構造的に気泡が残りやすく、この気泡のためエッチング不良が生じるおそれがあるためである。従来、超音波等を用いてこの気泡を除去していたが、これによるとレジスト膜１５の開口部近傍が破壊されて崩壊するといった問題があった。本実施の形態によれば、絶縁層４と実質的に反応しない液体を浸漬することにより、良好に気泡が除去される。
【００４１】
絶縁層４と実質的に反応しない液体としては、有機系液体を除いて絶縁層４と反応しない液体であれば、特に限定されないが、中性又は酸性の液体であるのがよい。好ましくは、さらに粘性の小さな液体であるのがよい。粘性の大きさとしては、例えば、約１×１０−４〜１×１０−２Ｐａ・ｓ程度、好ましくは、約５×１０−４〜５×１０−３Ｐａ・ｓ程度であるのがよい。このような液体として、純水が好適である。エッチング液に浸漬する前に、純水を予めエミッタホール７形成部に浸漬させることにより、粘性の小さい純水はエミッタ構造に入りやすく気泡を良好に除去することができる。なお、有機系液体を用いると、レジスト膜１５と反応するおそれがあるので好ましくない。
【００４２】
また、第２段階目のエッチングにおいては、粘性の小さいフッ酸溶液等の混合液を用いて絶縁層４をエッチングしてもよい。粘性の大きさとしては、例えば、約１×１０−４〜１×１０−２Ｐａ・ｓ程度、好ましくは、約５×１０−４〜５×１０−３Ｐａ・ｓ程度であるのがよい。粘性の小さいエッチング液をエミッタホール７形成部に浸漬させることにより、気泡を良好に除去することができると同時に、良好なエッチングを行うことができる。粘性の小さいフッ酸溶液等の混合液は、界面活性剤を添加する、或いは水等で希釈する、若しくは加熱する等により得ることができる。
【００４３】
（ｆ）次に、図５（ｆ）に示すように、蒸着やスパッタ等の方法により触媒１６の成膜を行う。触媒１６の材料としては、遷移金属や貴金属、希土類元素等が用いられ、これらの金属を単独で、又は各金属の粉末を複数混合して合金化したり焼結したりすることにより触媒１６材料を作製することができる。次いで、リフトオフ法等によりレジスト膜１５を除去する。
【００４４】
（ｇ）次に、図６（ｇ）に示すように、例えば、約４５０〜８００℃程度の成長温度にカソード基板２を昇温して、例えば、ＣＨ４ガスを成長ガスとして用いた熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長法）により、露出したカソード電極３の表面に触媒１６を成長核としてＧＮＦ６を成長させる。なお、ＣＨ４ガス以外に、Ｃ２Ｈ２、ＣＯ、メターノール、エタノール等のガスを成長ガスとして用いることができる。
【００４５】
（ｈ）次に、アノード基板１２にアノード電極１１及び蛍光体１０を順に形成する。そして、このアノード基板１２をカソード基板２に接着剤等により接着して、図１に示すＦＥＤ１が完成する。
【００４６】
（ＳＥＭ写真）
図８（ａ）及び（ｂ）に、本実施の形態に係るＦＥＤ１の一例について、ゲート電極５及びカソード電極３側のＳＥＭ写真を示した。なお、図８（ａ）は、ひさし部９の大きさが２００ｎｍ程度のひさし部９の小さい構造（微小中空構造）のものであり、図８（ｂ）は、ひさし部９の大きさが５００ｎｍ程度のひさし部９の大きい構造（ゲート後退構造）のものである。比較として、図８（ｃ）にひさし部９の大きさが１８００ｎｍの従来のＦＥＤのＳＥＭ写真を示した。
【００４７】
本実施の形態によれば、電極用エッチングによるエッチングの際、カソード電極３の厚みを予め厚くしておくことでカソード電極３を所望の厚みに保持できると共に、ゲート電極５の開口部８を後退させ、所望の大きさのひさし部９を形成することができる。これにより、放電破壊耐圧を向上させることが可能となる。
【００４８】
また、本実施の形態によれば、ひさし部９を所望の大きさに形成することができるので、ゲート電極５とＧＮＦとの距離を近接させることができ、放出電流を向上させることが可能となる。
【００４９】
また、本実施の形態によれば、カソード電極３のひさし部９が縮小されたので、下方からのＧＮＦ等の成長により、ＧＮＦとゲート電極５が接触し、ゲート電極５とショートするのを防止することが可能となる。さらに、わずかに生じたショートであれば、通電することで、ショートを切断することが可能となる。すなわち、放電破壊耐圧の向上により、例えば、約５０Ｖ程度の高圧をパルス的に印加することが可能となり、これにより比較的容易にショートを切断することができる。
【００５０】
また、本実施の形態によれば、絶縁層４のエッチングの際、予め純水に浸漬して気泡を除去した後、エッチング液を添加してエッチングするので、良好なエッチング状態を得ることができる。
【００５１】
（評価試験１）
本実施の形態に係るホール構造、すなわち、例えば、図７に示すようなＧＮＦを成長させる前の構造について、第２段階目のエッチング時間及びひさし部９の大きさと放電破壊電圧との関係を調べた。第２段階目のエッチング時間を３０〜１８０秒の間で変化させることにより、ひさし部９の大きさを変えてホール構造を作製し、それぞれの放電破壊電圧を測定した。図９に、エッチング時間に対する放電破壊電圧の測定結果を示した。また、図１０に、各ひさし部の大きさに対する放電破壊電圧の結果を示した。図１０に示されるように、本実施の形態に係るホール構造において、エッチング時間：３０〜１８０秒（ひさし部大きさ：７０〜５００ｎｍ）の場合、３５０〜４５０Ｖの高い放電破壊耐圧を示した。これに対して、従来のひさし部１８００ｎｍの場合では、２００〜３００Ｖで放電破壊が生じた。
【００５２】
（評価試験２）
本実施の形態に係るＦＥＤ１を用いて、ひさし部９の大きさを２００ｎｍ及び５００ｎｍとした場合について、Ｉ−Ｖ特性を調べる評価試験を行った。Ｉ−Ｖ測定は、カソード電極３とアノード電極１１間に１ｋＶ、カソード電極３とゲート電極５間には２０〜７０Ｖの電圧を印加して行った。同様にして、従来のＦＥＤ（ひさし部の大きさ１８００ｎｍ）についてもＩ−Ｖ測定を行った。測定結果を図１１に示した。なお、上述したように、図１１中、微小中空構造とは、ひさし部９の大きさが小さい構造を指し、ゲート後退構造とは、ひさし部９の大きさが大きい構造を指す。
【００５３】
図１１に示すように、従来のＦＥＤでは、ゲート電圧が４０Ｖまでは放出電流密度が上昇するが、約５０Ｖでゲート電極５のひさし部９が放電破壊した。しかしながら、本発明によるＦＥＤ１は、２０〜７０Ｖまで放出電流密度は上昇しており、約１００Ｖの印加でも放電破壊は生じなかった。
【００５４】
また、従来のＦＥＤでは、ゲート電圧４０Ｖで放出電流密度は７ｍＡ／ｃｍ２であり、高い放出電流密度が得られた場合であっても９３ｍＡ／ｃｍ２であった。これに対して、本発明のＦＥＤ１によれば、ゲート後退構造の場合では安定駆動している７０Ｖ印加の状態で、放出電流密度は５６０ｍＡ／ｃｍ２を示した。また、微小中空構造であっても、ゲート後退構造と同等の放出電流量を得られることが示された。すなわち、放出電流の大電流化が可能であることが示された。
【００５５】
これは、ゲート電極５の開口部８を後退させたことで、エミッタホール７の有効直径が増大し、周囲長も増加したため、電子放出に寄与する有効領域が拡大しためと考えられる。これにより、ゲート電極５近傍までＧＮＦ等を成長させることで、放出電流を一層増加させることが可能となる。
【００５６】
本実施の形態に係る電子放出源及びその製造方法によれば、放電破壊耐圧が向上し、放出電流性能に優れる。
【００５７】
[その他の実施の形態]
以上、上述した第１の実施の形態によって本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した第１の実施の形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。以下、上述した第１の実施の形態を一部変更した変更形態について説明する。
【００５８】
例えば、上述した各構成の形状、数値、材料等は適宜変更可能である。
また、上述した第１の実施の形態に係る電子放出源として、ＦＥＤに適用した説明をしたが、ＦＥＡ、ＦＥＬ（Field Emission Lump）、撮像板、フラットパネルセンサ等にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、電子放出源に関連した技術分野に好適に適用され得る。
【符号の説明】
【００６０】
１・・・ＦＥＤ
２・・・カソード基板
３・・・カソード電極
４・・・絶縁層
５・・・ゲート電極
６・・・電子放出部
７・・・エミッタホール
８・・・開口部
９・・・ひさし部
１０・・蛍光体
１１・・アノード電極
１２・・アノード基板
１３・・凹部の外周部
１４・・中空部
３３・・凹部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出源及びその製造方法に関し、特に、放電破壊耐圧の向上したゲート電極を備えた電子放出源及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＦＥＡ（Field Emission Array）型電子放出装置を用いた表示装置として電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ：Field Emission Display）の開発が進められている。この中で、冷陰極電子放出源の有力材料の一つとして、注目されているカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）やグラファイトナノファイバー（ＧＮＦ）を備えたＦＥＤが知られている（例えば、特許文献１参照。）。ＣＮＴやＧＮＦは、高いアスペクト比とナノオーダーの先鋭な形状を有しており、電界集中が生じやすいため高い放出電流密度が期待できる。
【０００３】
図１２に、従来のＦＥＤの構造の一例を示した。このＦＥＤ２１は、基板２２上にカソード電極２３、絶縁層２４、及びゲート電極２５が順に積層された電子エミッタ構造を有する。絶縁層２４にはカソード電極２３の上面を露出させるエミッタホール２７が形成され、エミッタホール２７のカソード電極２３表面には、電子を放出させるＧＮＦ等の電子放出部２６が設けられている。そして、電子放出部２６を挟みカソード電極２３に対向するように蛍光体３０とアノード電極３１が設けられたアノード基板３２が配置されている。
【０００４】
通常、上記電子エミッタ構造を作製するに当たっては、カソード電極２３／絶縁層２４／ゲート電極２５構造を作製し、エミッタホール２７をウェットエッチングにより形成する方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１７０４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の構造では、ウェットエッチングによって等方的に絶縁層２４がエッチングされて、ゲート電極２５の開口部２８付近は絶縁層２４が侵食されてひさし部２９が生じるため、構造的に弱くカソード電極２３とゲート電極２５間の放電により構造が破壊されやすい、つまり放電破壊耐圧が低いといった問題があった。また、ひさし部２９を除去しようとすると、カソード電極２３までエッチング除去され失われるおそれがあった。さらに、ウェットエッチングの実施の際には、構造的に気泡が残りやすく泡がみによるエッチング不良が生じるといった問題があった。
【０００７】
また、ひさし部２９が大きいと、ひさし部２９の下方より成長したＣＮＴ或いはＧＮＦにより、カソード電極２３とゲート電極２５がショートし易くなり、電界がかからずに電子を放出できなくなるといった問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、放電破壊耐圧が向上し、放出電流性能に優れた電子放出源及びそ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】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置されたカソード電極と、前記カソード電極上に配置され、前記カソード電極を露出させるように複数のエミッタホールが配置された絶縁層と、前記絶縁層を介して配置され、前記エミッタホールと連通した開口部が形成されたひさし部を有するゲート電極と、前記カソード電極上の前記エミッタホール領域に配置された電子放出部とを備え、前記露出したカソード電極表面に凹部を有することを特徴とする電子放出源が提供される。
【００１０】
上記目的を達成するための本発明の他の態様によれば、基板を準備する第１工程と、前記基板上にカソード電極、絶縁層及びゲート電極を順次形成した後、所定の大きさの孔を複数有するレジスト膜を形成する第２工程と、前記ゲート電極の前記孔に対向する面を電極用エッチングにより穿孔して開口部を形成する第３工程と、前記絶縁層に絶縁層用エッチングによりエミッタホールを形成し、該エミッタホール領域の前記カソード電極表面を露出させる第４工程と、電極用エッチングにより、前記開口部をさらに拡げるとともに、前記露出したカソード電極表面に凹部が形成される第５工程と、前記カソード電極の凹部上に電子放出部を成長させるための触媒を成膜した後、前記レジスト膜を除去する第６工程と、前記カソード電極上の前記触媒を介して前記電子放出部を形成する第７工程とを有することを特徴とする電子放出源の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、放電破壊耐圧が向上し、放出電流性能に優れた電子放出源及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤの模式的断面構造図。
【図２】図１を拡大した模式的断面構造図。
【図３】カソード電極とゲート電極との位置関係を示す模式的平面図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤの製造工程の一工程を説明する図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤの製造工程の一工程を説明する図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤの製造工程の一工程を説明する図。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤの製造工程の一工程におけるＳＥＭ写真を示す図であって、（ａ）ＦＥＤ中間体の一部破断斜視図、（ｂ）（ａ）の拡大図、（ｃ）（ａ）の一部縦断面図、（ｄ）（ｃ）の拡大図。
【図８】ＦＥＤの一部破断斜視のＳＥＭ写真を示す図であって、（ａ）本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤ（ひさし部０．２μｍ）、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤ（ひさし部０．５μｍ）、（ｃ）従来のＦＥＤ（ひさし部１．８μｍ）、を示す図。
【図９】絶縁層の第２段階目のエッチングにおけるエッチング時間と放電破壊電圧の関係を示す図。
【図１０】ひさし部の大きさと放電破壊電圧の関係を示す図。
【図１１】本発明に係るＦＥＤの電子放出特性を示す図。
【図１２】従来のＦＥＤの模式的断面構造図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態によるＦＥＤを説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なり、また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることに留意すべきである。
【００１４】
[第１の実施の形態]
（電子放出源の構造）
本発明の第１の実施の形態に係る電子放出源としてのＦＥＤ１について、図１〜３を参照して説明する。図１及び２に示すように、本実施の形態のＦＥＤ１は、基板２と、基板２上に配置されたカソード電極３と、カソード電極３上に配置され、カソード電極３を露出させるように複数のエミッタホール７が配置された絶縁層４と、絶縁層４を介して配置され、エミッタホール７と連通した開口部８が形成されたひさし部９を有するゲート電極５と、カソード電極３上のエミッタホール７領域に配置された電子放出部６とを備える。露出したカソード電極３表面は凹部３３を有する。なお、図２では電子放出部６を省略して示してある。
【００１５】
カソード基板２は、例えば、絶縁性のガラス基板からなる。
【００１６】
カソード電極３は、カソード基板２上に配置されている。カソード電極３は、例えば、クロム（Ｃｒ）等の金属からなる。図３に示すように、カソード電極３は、例えば、約１６μｍ程度の幅を有する帯状に配置されている。複数のカソード電極３は、互いに平行になるように、例えば、約４μｍ程度の間隔で配置されている。なお、図３は、カソード電極３とゲート電極５との配置関係を示したものであり、絶縁層４やアノード基板１２等は省略して示してある。
【００１７】
カソード電極３の幅及び間隔は適宜変更可能である。一例として、カソード電極３を、例えば、約８５μｍ程度の幅で配置し、例えば、約１５μｍ程度の間隔で配置してもよい。これにより、ＲＧＢの３色で蛍光体１０を構成すると、例えば、約３００μｍ程度のピッチのピクセル（約１００μｍピッチのサブピクセル）を実現できる。
【００１８】
カソード電極３は、後述するように、ゲート電極５の開口部８を拡げる際のエッチングによりカソード電極３も同時にエッチングされ凹部３３が形成される。このとき、カソード電極３の適切な厚みを確保するために、カソード電極３の厚みは、ゲート電極５の厚みの２〜４倍、好ましくは、２．５〜３倍であるのがよい。具体的には、例えば、約７００〜９００ｎｍ、好ましくは、約７５０〜８５０ｎｍである。上述のような厚みにすることで、カソード電極３表面がエッチングにより凹部３３が形成される際、カソード電極３が除去され失われることはない。カソード電極３表面に形成される凹部３３の深さは、例えば、約２５０〜４５０ｎｍ、好ましくは、約３００〜４００ｎｍである。
【００１９】
絶縁層４は、カソード電極３とゲート電極５とを絶縁するためのものであり、例えば、ＳｉＯ２等からなる。絶縁層４は、カソード電極３表面を覆い、エミッタホール７領域のカソード電極３表面を露出するように配置されている。絶縁層４の厚みは、例えば、約１〜３μｍ程度であるのがよい。
【００２０】
電子放出部６は、電子を放出する機能を有するものである。電子放出部６は、カソード電極３表面のエミッタホール７に露出した領域の中央部に配置されている。電子を放出するものとしては、略真空中で電界を加えれば電子を放出し、かつナノサイズのものであれば、特に限定されない。例えば、グラファイトナノファイバー（ＧＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）等が挙げられる。好ましくは、例えば、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の直径を有するＧＮＦからなるのがよい。
【００２１】
ゲート電極５は、電子放出部６から電子を引き出すためのものであり、例えば、カソード電極３と同一の材料であるクロム等の金属からなる。ゲート電極５は、絶縁層４の上面に配置されている。図３に示すように、ゲート電極５は、例えば、約１６μｍ程度の幅を有し、カソード電極３と直交する方向に延びて帯状に形成されている。複数のゲート電極５は、例えば、約４μｍ程度の間隔で配置されている。
【００２２】
ゲート電極５の幅及び間隔は適宜変更可能である。一例として、ゲート電極５を、例えば、約８５μｍ程度の幅に形成し、例えば、約１５μｍ程度の間隔で配置してもよい。これにより、ＲＧＢの３色で蛍光体１０を構成すると、例えば、約３００μｍ程度ピッチのピクセル（約１００μｍピッチのサブピクセル）を実現できる。
【００２３】
ゲート電極５及び絶縁層４には、図３に示すように、カソード電極３とゲート電極５が交差する領域（以下で、画素領域という。）にカソード電極３の一部を露出させるためのエミッタホール７が複数形成されている。エミッタホール７は、平面視で略円形を有しており、平均直径は、例えば、約１０μｍ程度以下、好ましくは、約１〜８μｍ程度、より好ましくは、約１〜６μｍ程度であるのがよい。
【００２４】
ゲート電極５は、図２に示すように、エミッタホール７と連通した開口部８を有する。開口部８は、エミッタホール７の中心部に対して凹部３３の外周部１３より外側に形成されているのが好ましい。開口部８は、平面視で略円形を有しており、平均直径は、凹部３３の外周部１３より外側になる大きさであれば、特に限定されない。例えば、約１２μｍ程度以下、好ましくは、約２〜１０μｍ程度、より好ましくは、約２〜８μｍ程度であるのがよい。
【００２５】
ゲート電極５の厚みは、例えば、２５０〜４００ｎｍ、好ましくは、２５０〜３００ｎｍであるのがよい。
【００２６】
ゲート電極５の開口部８周縁部にはひさし部９が形成されており、ひさし部９の下方には、ひさし部９と絶縁層４に囲まれた中空部１４が形成されている。ひさし部９の長さ（大きさ）は、ゼロより大きく絶縁層４の厚みより小さいのがよい。好ましくは、０μｍを超え２．０μｍ以下、より好ましくは、０μｍを超え１．５μｍ以下、さらに好ましくは、０μｍを超え１．０μｍ以下、であるのがよい。なお、ひさし部９及び中空部１４は、後述するように、絶縁層４の第２段階目のエッチングの際に形成される。
【００２７】
蛍光体１０は、電子放出部６から放出された電子が衝突することにより、所望の色の光を発光させるためのものである。なお、蛍光体１０は、単層として図面に記載しているが、異なる複数の色を発光可能なドット状に形成してもよい。蛍光体１０は、アノード電極１１の下面に配置されている。
【００２８】
アノード電極１１は、電子放出部６から放出された電子を蛍光体１０へと衝突させるためのものである。アノード電極１１は、光を透過可能なＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）からなり、アノード基板１２の下面に形成されている。アノード電極１１は、帯状に形成されている。アノード電極１１は、カソード電極３と同じ方向に延びるように平行に形成されている。
【００２９】
アノード基板１２は、例えば、光を透過可能なガラス基板からなる。
【００３０】
（動作原理）
本発明の第１の実施の形態に係るＦＥＤ１の動作原理は以下の通りである。
まず、カソード電極３に負の電圧を印加し、ゲート電極５には正の電圧を印加して、カソード電極３とゲート電極５との間に形成される電界により電子放出部６を構成するＧＮＦから電子を放出させる。一方、アノード電極１１に高い正の電圧を印加して、放出された電子をアノード電極１１方向に加速させる。放出された電子は、ビームとなってゲート電極５に向って進みつつ、アノード電極１１に向って加速されて、蛍光体１０に衝突し、これにより発光させることができる。
【００３１】
（製造方法）
図４〜６は、本発明の第１の実施の形態によるＦＥＤ１の製造方法を説明する図である。
本実施の形態によるＦＥＤ１の製造方法は、基板２を準備する第１工程と、基板２上にカソード電極３、絶縁層４及びゲート電極５を順次形成した後、所定の大きさの孔を複数有するレジスト膜１５を形成する第２工程と、ゲート電極５の孔に対向する面を電極用エッチングにより穿孔して開口部８を形成する第３工程と、絶縁層４を絶縁層用エッチングによりエミッタホール７を形成し、エミッタホール７領域のカソード電極３表面を露出させる第４工程と、電極用エッチングにより、開口部８をさらに拡げるとともに、露出したカソード電極３表面に凹部３３が形成される第５工程と、カソード電極３の凹部３３上に電子放出部６を成長させるための触媒１６を成膜した後、レジスト膜１５を除去する第６工程と、カソード電極３上の触媒１６を介して電子放出部６を形成する第７工程とを有する。
【００３２】
また、第５工程の後、絶縁層用エッチングにより絶縁層４を除去し、開口部８の周縁部と絶縁層４の間に中空部１４を形成することにより所定の大きさのひさし部９を形成する工程をさらに有することが好ましい。
【００３３】
以下に、製造工程を詳述する。
（ａ）まず、図４（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ及びリフトオフ法等により、カソード基板２上にパターニングされた、例えばクロム等からなるカソード電極３を形成する。次いで、フォトリソグラフィ及びリフトオフ法等により、カソード電極３を覆うように絶縁層４を形成する。更に、フォトリソグラフィ及びスパッタリング法により絶縁層４上に帯状の、例えばクロム等からなるゲート電極５を形成する。ここでゲート電極５は、平面視にて、図３に示したように、エミッタホール７が形成される画素領域でカソード電極３と直交するようにパターニングされる。
次いで、所定の大きさの孔を複数有するレジスト膜１５を形成する。孔の大きさは、電子放出部６を形成する領域と同じ程度の大きさとするのがよい。
【００３４】
（ｂ）次に、図４（ｂ）に示すように、エッチャントとして硝酸第２セリウムアンモニウムと過塩素酸あるいは硝酸を水で希釈した混合液を用いてウェットエッチングすることにより、レジスト膜１５が被覆されていない孔の領域のゲート電極５を除去して、ゲート電極５にレジスト膜１５の孔と同じパターンの孔を形成する。
【００３５】
（ｃ）次に、図４（ｃ）に示すように、エッチャントとしてフッ酸溶液又はフッ酸と硝酸の混合液等を用いてウェットエッチングを行い、エミッタホール７を形成する。このとき、カソード電極３上のエミッタホール７領域が露出するようにエッチングする（第１段階目のエッチング）。
【００３６】
（ｄ）次に、図５（ｄ）に示すように、エッチャントとして硝酸第２セリウムアンモニウムと過塩素酸あるいは硝酸を水で希釈した混合液を用いたウェットエッチングにより、ゲート電極５の開口部８を後退させ、開口部８を拡げる。このとき、カソード電極３のエミッタホール７領域に露出した部分もエッチングされ、凹部３３が形成される。
【００３７】
（ｅ）次に、図５（ｅ）に示すように、エッチャントとしてフッ酸溶液又はフッ酸と硝酸の混合液等を用いてウェットエッチングを行い、カソード電極３の開口部８よりエミッタホール７側にある絶縁層４を除去する（第２段階目のエッチング）。このとき、エミッタホール７の側壁部もエッチングされ、ゲート電極５の開口部８周縁部の下方の絶縁層４も除去され、中空部１４が形成されると共に、ひさし部９が形成される。
【００３８】
ここで、ひさし部９の大きさは、エッチング時間を適宜調整することにより所定の大きさのひさし部９を形成することができる。
【００３９】
図７（ａ）〜（ｄ）に、絶縁層４の第２段階目のエッチングを行った後、レジスト膜１５を除去して撮影したＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）写真を示した。このときの第２段階目のエッチングの時間は、約１分であった。
【００４０】
なお、第２段階目のエッチングにおいては、フッ酸溶液等の混合液を浸漬させる前に、絶縁層４と実質的に反応しない液体を浸漬させた後、この液体にフッ酸溶液等の混合液を添加するのがよい。これはウェットエッチングの際、構造的に気泡が残りやすく、この気泡のためエッチング不良が生じるおそれがあるためである。従来、超音波等を用いてこの気泡を除去していたが、これによるとレジスト膜１５の開口部近傍が破壊されて崩壊するといった問題があった。本実施の形態によれば、絶縁層４と実質的に反応しない液体を浸漬することにより、良好に気泡が除去される。
【００４１】
絶縁層４と実質的に反応しない液体としては、有機系液体を除いて絶縁層４と反応しない液体であれば、特に限定されないが、中性又は酸性の液体であるのがよい。好ましくは、さらに粘性の小さな液体であるのがよい。粘性の大きさとしては、例えば、約１×１０−４〜１×１０−２Ｐａ・ｓ程度、好ましくは、約５×１０−４〜５×１０−３Ｐａ・ｓ程度であるのがよい。このような液体として、純水が好適である。エッチング液に浸漬する前に、純水を予めエミッタホール７形成部に浸漬させることにより、粘性の小さい純水はエミッタ構造に入りやすく気泡を良好に除去することができる。なお、有機系液体を用いると、レジスト膜１５と反応するおそれがあるので好ましくない。
【００４２】
また、第２段階目のエッチングにおいては、粘性の小さいフッ酸溶液等の混合液を用いて絶縁層４をエッチングしてもよい。粘性の大きさとしては、例えば、約１×１０−４〜１×１０−２Ｐａ・ｓ程度、好ましくは、約５×１０−４〜５×１０−３Ｐａ・ｓ程度であるのがよい。粘性の小さいエッチング液をエミッタホール７形成部に浸漬させることにより、気泡を良好に除去することができると同時に、良好なエッチングを行うことができる。粘性の小さいフッ酸溶液等の混合液は、界面活性剤を添加する、或いは水等で希釈する、若しくは加熱する等により得ることができる。
【００４３】
（ｆ）次に、図５（ｆ）に示すように、蒸着やスパッタ等の方法により触媒１６の成膜を行う。触媒１６の材料としては、遷移金属や貴金属、希土類元素等が用いられ、これらの金属を単独で、又は各金属の粉末を複数混合して合金化したり焼結したりすることにより触媒１６材料を作製することができる。次いで、リフトオフ法等によりレジスト膜１５を除去する。
【００４４】
（ｇ）次に、図６（ｇ）に示すように、例えば、約４５０〜８００℃程度の成長温度にカソード基板２を昇温して、例えば、ＣＨ４ガスを成長ガスとして用いた熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長法）により、露出したカソード電極３の表面に触媒１６を成長核としてＧＮＦ６を成長させる。なお、ＣＨ４ガス以外に、Ｃ２Ｈ２、ＣＯ、メターノール、エタノール等のガスを成長ガスとして用いることができる。
【００４５】
（ｈ）次に、アノード基板１２にアノード電極１１及び蛍光体１０を順に形成する。そして、このアノード基板１２をカソード基板２に接着剤等により接着して、図１に示すＦＥＤ１が完成する。
【００４６】
（ＳＥＭ写真）
図８（ａ）及び（ｂ）に、本実施の形態に係るＦＥＤ１の一例について、ゲート電極５及びカソード電極３側のＳＥＭ写真を示した。なお、図８（ａ）は、ひさし部９の大きさが２００ｎｍ程度のひさし部９の小さい構造（微小中空構造）のものであり、図８（ｂ）は、ひさし部９の大きさが５００ｎｍ程度のひさし部９の大きい構造（ゲート後退構造）のものである。比較として、図８（ｃ）にひさし部９の大きさが１８００ｎｍの従来のＦＥＤのＳＥＭ写真を示した。
【００４７】
本実施の形態によれば、電極用エッチングによるエッチングの際、カソード電極３の厚みを予め厚くしておくことでカソード電極３を所望の厚みに保持できると共に、ゲート電極５の開口部８を後退させ、所望の大きさのひさし部９を形成することができる。これにより、放電破壊耐圧を向上させることが可能となる。
【００４８】
また、本実施の形態によれば、ひさし部９を所望の大きさに形成することができるので、ゲート電極５とＧＮＦとの距離を近接させることができ、放出電流を向上させることが可能となる。
【００４９】
また、本実施の形態によれば、カソード電極３のひさし部９が縮小されたので、下方からのＧＮＦ等の成長により、ＧＮＦとゲート電極５が接触し、ゲート電極５とショートするのを防止することが可能となる。さらに、わずかに生じたショートであれば、通電することで、ショートを切断することが可能となる。すなわち、放電破壊耐圧の向上により、例えば、約５０Ｖ程度の高圧をパルス的に印加することが可能となり、これにより比較的容易にショートを切断することができる。
【００５０】
また、本実施の形態によれば、絶縁層４のエッチングの際、予め純水に浸漬して気泡を除去した後、エッチング液を添加してエッチングするので、良好なエッチング状態を得ることができる。
【００５１】
（評価試験１）
本実施の形態に係るホール構造、すなわち、例えば、図７に示すようなＧＮＦを成長させる前の構造について、第２段階目のエッチング時間及びひさし部９の大きさと放電破壊電圧との関係を調べた。第２段階目のエッチング時間を３０〜１８０秒の間で変化させることにより、ひさし部９の大きさを変えてホール構造を作製し、それぞれの放電破壊電圧を測定した。図９に、エッチング時間に対する放電破壊電圧の測定結果を示した。また、図１０に、各ひさし部の大きさに対する放電破壊電圧の結果を示した。図１０に示されるように、本実施の形態に係るホール構造において、エッチング時間：３０〜１８０秒（ひさし部大きさ：７０〜５００ｎｍ）の場合、３５０〜４５０Ｖの高い放電破壊耐圧を示した。これに対して、従来のひさし部１８００ｎｍの場合では、２００〜３００Ｖで放電破壊が生じた。
【００５２】
（評価試験２）
本実施の形態に係るＦＥＤ１を用いて、ひさし部９の大きさを２００ｎｍ及び５００ｎｍとした場合について、Ｉ−Ｖ特性を調べる評価試験を行った。Ｉ−Ｖ測定は、カソード電極３とアノード電極１１間に１ｋＶ、カソード電極３とゲート電極５間には２０〜７０Ｖの電圧を印加して行った。同様にして、従来のＦＥＤ（ひさし部の大きさ１８００ｎｍ）についてもＩ−Ｖ測定を行った。測定結果を図１１に示した。なお、上述したように、図１１中、微小中空構造とは、ひさし部９の大きさが小さい構造を指し、ゲート後退構造とは、ひさし部９の大きさが大きい構造を指す。
【００５３】
図１１に示すように、従来のＦＥＤでは、ゲート電圧が４０Ｖまでは放出電流密度が上昇するが、約５０Ｖでゲート電極５のひさし部９が放電破壊した。しかしながら、本発明によるＦＥＤ１は、２０〜７０Ｖまで放出電流密度は上昇しており、約１００Ｖの印加でも放電破壊は生じなかった。
【００５４】
また、従来のＦＥＤでは、ゲート電圧４０Ｖで放出電流密度は７ｍＡ／ｃｍ２であり、高い放出電流密度が得られた場合であっても９３ｍＡ／ｃｍ２であった。これに対して、本発明のＦＥＤ１によれば、ゲート後退構造の場合では安定駆動している７０Ｖ印加の状態で、放出電流密度は５６０ｍＡ／ｃｍ２を示した。また、微小中空構造であっても、ゲート後退構造と同等の放出電流量を得られることが示された。すなわち、放出電流の大電流化が可能であることが示された。
【００５５】
これは、ゲート電極５の開口部８を後退させたことで、エミッタホール７の有効直径が増大し、周囲長も増加したため、電子放出に寄与する有効領域が拡大しためと考えられる。これにより、ゲート電極５近傍までＧＮＦ等を成長させることで、放出電流を一層増加させることが可能となる。
【００５６】
本実施の形態に係る電子放出源及びその製造方法によれば、放電破壊耐圧が向上し、放出電流性能に優れる。
【００５７】
[その他の実施の形態]
以上、上述した第１の実施の形態によって本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した第１の実施の形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。以下、上述した第１の実施の形態を一部変更した変更形態について説明する。
【００５８】
例えば、上述した各構成の形状、数値、材料等は適宜変更可能である。
また、上述した第１の実施の形態に係る電子放出源として、ＦＥＤに適用した説明をしたが、ＦＥＡ、ＦＥＬ（Field Emission Lump）、撮像板、フラットパネルセンサ等にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、電子放出源に関連した技術分野に好適に適用され得る。
【符号の説明】
【００６０】
１・・・ＦＥＤ
２・・・カソード基板
３・・・カソード電極
４・・・絶縁層
５・・・ゲート電極
６・・・電子放出部
７・・・エミッタホール
８・・・開口部
９・・・ひさし部
１０・・蛍光体
１１・・アノード電極
１２・・アノード基板
１３・・凹部の外周部
１４・・中空部
３３・・凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置されたカソード電極と、
前記カソード電極上に配置され、前記カソード電極を露出させるように複数のエミッタホールが配置された絶縁層と、
前記絶縁層を介して配置され、前記エミッタホールと連通した開口部が形成されたひさし部を有するゲート電極と、
前記カソード電極上の前記エミッタホール領域に配置された電子放出部と
を備え、前記露出したカソード電極表面に凹部を有することを特徴とする電子放出源。
【請求項２】
前記開口部は、前記エミッタホールの中心軸からみて前記凹部の外周部より外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電子放出源。
【請求項３】
基板を準備する第１工程と、
前記基板上にカソード電極、絶縁層及びゲート電極を順次形成した後、所定の大きさの孔を複数有するレジスト膜を形成する第２工程と、
前記ゲート電極の前記孔に対向する面を電極用エッチングにより穿孔して開口部を形成する第３工程と、
前記絶縁層に絶縁層用エッチングによりエミッタホールを形成し、該エミッタホール領域の前記カソード電極表面を露出させる第４工程と、
電極用エッチングにより、前記開口部をさらに拡げるとともに、前記露出したカソード電極表面に凹部が形成される第５工程と、
前記カソード電極の凹部上に電子放出部を成長させるための触媒を成膜した後、前記レジスト膜を除去する第６工程と、
前記カソード電極上の前記触媒を介して前記電子放出部を形成する第７工程と
を有することを特徴とする電子放出源の製造方法。
【請求項４】
前記第５工程の後、前記絶縁層用エッチングにより前記絶縁層を除去し、前記開口部の周縁部と前記絶縁層の間に中空部を形成することにより所定の大きさのひさし部を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項５】
前記絶縁層用エッチングにおいて、前記絶縁層を前記絶縁層と実質的に反応しない液体に浸漬して気泡を除去した後、エッチング液を前記液体に添加することを特徴とする請求項４に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項６】
前記液体は、中性又は酸性であることを特徴とする請求項５に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項７】
前記絶縁層用エッチングでは、気泡を除去するとともに、前記絶縁層をエッチングすることができるエッチング液を用いることを特徴とする請求項４に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項８】
前記エッチング液の粘性が、１×１０−４〜１×１０−２Ｐａ・ｓであることを特徴とする請求項７に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置されたカソード電極と、
前記カソード電極上に配置され、前記カソード電極を露出させるように複数のエミッタホールが配置された絶縁層と、
前記絶縁層を介して配置され、前記エミッタホールと連通した開口部が形成されたひさし部を有するゲート電極と、
前記カソード電極上の前記エミッタホール領域に配置された電子放出部と
を備え、前記露出したカソード電極表面に凹部を有することを特徴とする電子放出源。
【請求項２】
前記開口部は、前記エミッタホールの中心軸からみて前記凹部の外周部より外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電子放出源。
【請求項３】
基板を準備する第１工程と、
前記基板上にカソード電極、絶縁層及びゲート電極を順次形成した後、所定の大きさの孔を複数有するレジスト膜を形成する第２工程と、
前記ゲート電極の前記孔に対向する面を電極用エッチングにより穿孔して開口部を形成する第３工程と、
前記絶縁層に絶縁層用エッチングによりエミッタホールを形成し、該エミッタホール領域の前記カソード電極表面を露出させる第４工程と、
電極用エッチングにより、前記開口部をさらに拡げるとともに、前記露出したカソード電極表面に凹部が形成される第５工程と、
前記カソード電極の凹部上に電子放出部を成長させるための触媒を成膜した後、前記レジスト膜を除去する第６工程と、
前記カソード電極上の前記触媒を介して前記電子放出部を形成する第７工程と
を有することを特徴とする電子放出源の製造方法。
【請求項４】
前記第５工程の後、前記絶縁層用エッチングにより前記絶縁層を除去し、前記開口部の周縁部と前記絶縁層の間に中空部を形成することにより所定の大きさのひさし部を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項５】
前記絶縁層用エッチングにおいて、前記絶縁層を前記絶縁層と実質的に反応しない液体に浸漬して気泡を除去した後、エッチング液を前記液体に添加することを特徴とする請求項４に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項６】
前記液体は、中性又は酸性であることを特徴とする請求項５に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項７】
前記絶縁層用エッチングでは、気泡を除去するとともに、前記絶縁層をエッチングすることができるエッチング液を用いることを特徴とする請求項４に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項８】
前記エッチング液の粘性が、１×１０−４〜１×１０−２Ｐａ・ｓであることを特徴とする請求項７に記載の電子放出源の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１０３０８８（Ｐ２０１０−１０３０８８Ａ）
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１５４２１（Ｐ２００９−１１５４２１）
【出願日】平成２１年５月１２日（２００９．５．１２）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１２日（２００９．５．１２）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
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