電子放出素子、電子源、画像表示装置および電子放出素子の製造方法
【課題】電子ビームの集束性に優れ、リーク電流を抑制し、変形の起こりにくい構成を有する電子放出素子、ならびに、当該電子放出素子を利用した電子源、及び、該電子源を利用した、画質が良好で高精細な画像表示装置を提供する。
【解決手段】電子放出素子は、カソード電極２、ゲート電極４、絶縁部材６、及び、電子放出材５を備え、前記絶縁部材６は、前記ゲート電極に接し、かつ、前記ゲート電極の開口と略同じ大きさの開口を有する第１の絶縁層６ａと、前記第１の絶縁層よりも前記カソード電極側に位置し、かつ、前記ゲート電極の開口より大きい開口を有する第２の絶縁層６ｂと、を含む３つ以上の絶縁層が積層されたものである。
【解決手段】電子放出素子は、カソード電極２、ゲート電極４、絶縁部材６、及び、電子放出材５を備え、前記絶縁部材６は、前記ゲート電極に接し、かつ、前記ゲート電極の開口と略同じ大きさの開口を有する第１の絶縁層６ａと、前記第１の絶縁層よりも前記カソード電極側に位置し、かつ、前記ゲート電極の開口より大きい開口を有する第２の絶縁層６ｂと、を含む３つ以上の絶縁層が積層されたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出素子およびその製造方法に関するものであり、さらに、それを使用した、電子源および画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、カソード電極−ゲート電極間に絶縁層を備え、ゲート電極と絶縁層とのそれぞれに、互いに連通する開口が設けられた電子放出素子が一般に用いられている。そのような電子放出素子における電子放出材は、カソード電極上に形成されており、ゲート電極と絶縁層の開口内に少なくとも一部が露出している。
【０００３】
そのような電子放出素子の例として、カソード電極上に円錐状もしくは円筒状で先端に小さな曲率からなる突起を設けた電子放出材や、カソード電極上にほぼ平坦で低電界放出の電子放出材を備えた電子放出素子がある。カソード電極上に円錐状もしくは円筒状で先端に小さな曲率からなる突起を設けた電子放出材を備えた電子放出素子では、当該突起の先端部より選択的に電界放出がなされる。
【０００４】
カソード電極上にほぼ平坦で低電界放出の電子放出材を備えた電子放出素子は、上述した円錐状もしくは円筒状の電子放出材を備える電子放出素子に比べ、電子ビームの集束性に優れた電子放出素子となる可能性が期待されている。
【０００５】
カソード電極上にほぼ平坦で低電界放出の電子放出材を備えた電子放出素子において、カソード電極の形状を変更することによって電子ビームの集束性をよくする方法がある。そのような技術は、たとえば、特許文献１〜６に開示されている。
【０００６】
図１５に特許文献１に開示された例を示す。これは、電子放出面（電子放出材において電子が放出される面）が、カソード電極層の絶縁層側の面より微細孔内で深い位置に存在する構成である。
【０００７】
図１５では、電子放出素子は、基板１１上のカソード電極層３２、絶縁層１５、ゲート電極層１４で構成され、微細孔２０内の底面（カソード電極上）に、電子放出材１６が配置されている。電子放出材１６の表面（電子放出面）を、カソード電極層３２と絶縁層１５との界面より深い位置とするために、カソード電極層３２には溝が掘り込まれている。
【０００８】
図１６に特許文献６に開示された例を示す。本構成では、電子放出膜３４上にカソード電極３５が設けられている。
【０００９】
また、電極構造ではなく、開口内の電位分布を工夫し、電子ビーム径を小さくする技術がある。
【００１０】
図１７に特許文献７に開示された例を示す。本構成は、絶縁層が誘電率の異なる二層となっている例である。
【００１１】
図１８に特許文献８に開示された例を示す。本構成は、開口径を工夫したもの（カソード電極の表面からゲート電極側に向かうにつれ徐々に開口径を大きくしたもの）である。
【００１２】
以上のように、集束性に優れた電子放出素子を作製し、その電子放出素子を平面基板上に多数配置した電子源を作製し、それを利用して画像表示装置を構成するという、高精細
な画像表示装置を形成するための開発が行われている。
【００１３】
電子放出素子には、良好な電気特性が必要であり、カソード電極−ゲート電極間の無効電流、いわゆるリーク電流の発生は問題である。
【００１４】
リーク電流のうち、開口で生じるリーク電流の原因としては、製造工程時の残渣物がある。残渣物としては、パーティクル（電極材料、電子放出材）の付着、エッチング工程で２次的に発生するもの（ドライエッチングによる側壁生成物）などがある。これらは、極力取り除くことが望まれる。
【００１５】
また、電子放出素子は、長時間の安定な駆動が期待される。
【００１６】
駆動の安定性においても、残渣物の影響がある。残渣物がパーティクルの場合は、開口内の強電界によりパーティクルがチャージして移動し、その際に、放電が起こる場合がある。放電により、開口内に一時的でも過度な温度上昇があれば、開口の変形が起こる。
【００１７】
このためには、温度上昇に強い構造、材料の選択、各層間の密着性の向上が必要であり、開口は変形しにくい構造であることが望まれる。
【００１８】
また、残渣物が導電性の付着物であった場合、開口内の電位分布は曲げられ、その曲がりは、側壁部（絶縁層）への不要な電子の入射を引き起こす可能性がある。電子の入射による絶縁層の帯電現象は、ゲート電極−カソード電極の絶縁耐圧を減少させる場合がある。
【００１９】
絶縁耐圧を上げる方法としては、ゲート電極−カソード電極間の沿面距離を長くするなどの方法がある。
【００２０】
また、リーク電流のない良好な電子放出素子であっても、放出された電子が周辺のガスをイオン化するため、イオン化したガスにより電子放出特性が劣化する。これを防止するために、開口を工夫した例がある。
【００２１】
図１９，２０に特許文献９に開示された例を示す。本構成は、側壁構造を工夫し、電子放出素子の長期安定性を狙った例である。この電子放出素子の場合、電子放出材先端に曲率を設けた構造であり、絶縁層下縁側が開口に対し、後方に後退したものである。
【００２２】
このように開口内は、製造工程の残渣物が除去された状態であり、かつ、開口内の電位分布の変化を抑制するような構造であることなどが重要である。
【特許文献１】特開平８−１１５６５４号公報
【特許文献２】特開平８−２９３２４４号公報
【特許文献３】特開平１０−１２５２１５号公報
【特許文献４】特開２０００−６７７３６号公報
【特許文献５】米国特許第５４７３２１８号明細書
【特許文献６】特開平８−５５５６４号公報
【特許文献７】特表２００２−５３６８０２号公報
【特許文献８】特開２０００−１５６１４７号公報
【特許文献９】特開平１０−３０８１６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするとこ
ろは、電子ビームの集束性に優れ、リーク電流を抑制し、変形の起こりにくい構成を有する電子放出素子を提供することにある。
【００２４】
また、本発明の更なる目的は、そのような電子放出素子を利用した電子源、及び、該電子源を利用した、画質が良好で高精細な画像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】
【００２５】
本発明に係る電子放出素子は、カソード電極、ゲート電極、絶縁部材、及び、電子放出材を備え、前記ゲート電極は、前記カソード電極の上方に位置し、前記絶縁部材は、前記ゲート電極と前記カソード電極の間に位置し、前記ゲート電極と前記絶縁部材のそれぞれに、互いに連通する開口が設けられており、前記電子放出材は、前記カソード電極上に設けられ、かつ、前記ゲート電極と前記絶縁部材の開口内に少なくとも一部が露出する電子放出素子であって、前記絶縁部材は、前記ゲート電極に接し、かつ、前記ゲート電極の開口と略同じ大きさの開口を有する第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層よりも前記カソード電極側に位置し、かつ、前記ゲート電極の開口より大きい開口を有する第２の絶縁層と、を含む３つ以上の絶縁層が積層されたものであることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明に係る電子放出素子の製造方法は、カソード電極、ゲート電極、絶縁部材、及び、電子放出材を備え、前記ゲート電極は、前記カソード電極の上方に位置し、前記絶縁部材は、前記ゲート電極と前記カソード電極の間に位置し、前記ゲート電極と前記絶縁部材のそれぞれに、互いに連通する開口が設けられており、前記電子放出材は、前記カソード電極上に設けられ、かつ、前記ゲート電極と前記絶縁部材の開口内に少なくとも一部が露出する電子放出素子の製造方法であって、前記ゲート電極に接する第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層よりも前記カソード電極側に位置する第２の絶縁層と、を含む３つ以上の絶縁層を積層することによって前記絶縁部材を形成する第１の工程と、前記第２の絶縁層の開口を、前記ゲート電極の開口より大きくする第２の工程と、を有することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明に係る電子源は、上記電子放出素子を複数備えることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明に係る画像表示装置は、上記電子源と、該電子源から放出された電子によって画像を形成する画像形成部材と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、電子ビームの集束性に優れ、リーク電流を抑制し、変形の起こりにくい構成を有する電子放出素子を提供することができる。
【００３０】
更に、そのような電子放出素子を利用した電子源、及び、該電子源を利用した、画質が良好で高精細な画像表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。また、カソード、ゲート、アノード電極に印加される電圧、駆動波形等の条件も特に特定的な記載がない限りはそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００３２】
図１〜３を参照して本発明の実施の形態に係る電子放出素子について説明する。
【００３３】
図１は本実施形態に係る電子放出素子の構成を示す模式図である。図１（ａ）は平面図
である。図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ´の断面図（ゲート電極に垂直であり、かつ、ゲート電極と絶縁部材の開口の中心を通るような平面における断面であり、以後、断面とはこのことを意味する）である。
【００３４】
図２は、図１に示す電子放出素子の駆動状態の詳細を示す図である。
【００３５】
図１、図２において、１は基板、２はカソード電極、４はゲート電極、５は電子放出材、６は絶縁部材である。ここで、ゲート電極４はカソード電極の上方に位置し、絶縁部材６は、ゲート電極４とカソード電極２の間に位置する。ゲート電極４と絶縁部材６のそれぞれには、互いに連通する開口が設けられており、電子放出材５はカソード電極上に設けられ、かつ、ゲート電極４と絶縁部材６の開口内に少なくとも一部が露出している。なお、ゲート電極４と絶縁部材６のそれぞれに設けられる開口は、互いに同心的に連通していることが好ましい。
【００３６】
絶縁部材６は、第１の絶縁層と第２の絶縁層とを含む３つ以上の絶縁層が積層されたものである。第１の絶縁層は、ゲート電極に接し、かつ、ゲート電極の開口と略同じ大きさの開口を有する絶縁層である。第２の絶縁層は、第１の絶縁層よりもカソード電極側に位置し、かつ、ゲート電極の開口より大きい開口を有する絶縁層である。図１の例では、絶縁部材６が３つの絶縁層（絶縁層６ａ〜６ｃ）から形成されており、ゲート電極４に接している絶縁層６ｃを第１の絶縁層とし、中間に位置する絶縁層６ｂを第２の絶縁層とする。
【００３７】
カソード電極２とゲート電極４間には駆動電圧Ｖｇが与えられる。
【００３８】
７は、電子放出素子の上方に距離Ｈだけ離れて配置されたアノード電極であり、アノード電圧Ｖａが与えられる。距離Ｈとは通常はカソード電極２の位置を基準とすればよい。
【００３９】
アノード電極７では電子が補足され、電子放出電流Ｉｅが検出される。
【００４０】
駆動電圧Ｖｇがかかると、カソード電極−ゲート電極間にゲート電流Ｉｇが流れる。Ｉｇは、ゲート電極４と絶縁部材６とのそれぞれに連通するように設けられた開口周辺（開口の側壁や絶縁部材内部）の導電パスを介して流れるものと、電子放出材５から真空に放出された電子がゲート電極４に再入射して流れるものとがある。いずれも、アノード電極７に到達しない電流であり、無効電流となる。
【００４１】
電子放出素子の効率は、駆動電圧Ｖｇを印加することにより流れる全ての電流（全電流）のうち、アノード電極に到達する電流（電子電流）をＩｅとし、アノード電極に到達しない電流（無効電流）をＩｇとすると、
電子放出効率＝電子電流／全電流＝Ｉｅ／（Ｉｇ＋Ｉｅ）
と定義できる。
【００４２】
すなわち、カソード電極−ゲート電極間のゲート電流Ｉｇが少ない程効率がよい。また、リーク電流がなく、ゲート電極に入射する電子がなければ、効率は１となり理想的である。
【００４３】
上述したように、ゲート電極４と絶縁部材６とのそれぞれは、互いに連通する開口を有している。開口の形状はどのようなものであってもよく、具体的には、円形、多角形、長方形などがある（なお、開口の形状が円形以外の場合には、ゲート電極４と絶縁部材６との開口が互いに同心的であり、かつ、形状の向きも互いにほぼ同じであることが好ましい。）。
【００４４】
開口の形状は、円形の場合、一般的に、開口径（直径）ｗ、開口深さｈで表される。
【００４５】
その他、開口径ｗとしては、多角形の場合は外接円の直径で、長方形の場合は短辺の長さで考えるのが一般的である（長方形の長辺の長さは開口幅として区別される）。
【００４６】
図２中の点線はこの電子放出素子を駆動させたときの等電位面を示したものである。駆動条件により等電位面の形状は異なるが、図２中の点線は本実施形態に係る電子放出素子を一般的な駆動条件で駆動させたときの等電位面である。
【００４７】
本実施形態に係る電子放出素子では、電子放出材５のすぐ上（ゲート電極側）の等電位面を、図２のように、断面図で（カソード電極側に）凹型の等電位面とすることで、集束性に優れた電子放出構造が作製できる。
【００４８】
一方、ゲート電極４の開口付近における等電位面は中央部で（ゲート電極側に）膨らんだ凸型となる。したがって、電子は、図２のように、ゲート電極の開口よりも外側に広がるように放出され、アノード電極に到達する。
【００４９】
このような等電位面を得るには、複数の方法がある。
【００５０】
一つは絶縁層の形状、絶縁層の誘電率を工夫する方法であり、図１に示す電子放出素子の構成はそれら両方を工夫した例である。換言すれば、図１に示す電子放出素子は、駆動時に図２に示すような等電位面を得るために、第２の絶縁層を備えている。図２に示すような等電位面にするためにどのように工夫すればよいのかについては後で詳しく説明する。
【００５１】
また、別の方法としては、電子放出材の露出領域（露出している領域）の端での電位を電子放出材の露出領域の中央での電位よりも高くするために、カソード電極の形状、構成を工夫する方法であり、これについても後述する。
【００５２】
本実施形態において有効な電子放出素子（集束性に優れた電子放出素子）とするためには、放出された電子をゲート電極４および絶縁部材６へ衝突しないようにする必要がある。電子がゲート電極に衝突すると、衝突した電子の一部が再放出され、電子軌道が異なった電子ビームとなり、アノード電極に到達する。そのような電子の到達量は少ないが、到達位置が、ゲート電極に衝突せずにアノード電極に到達した電子の到達位置に比べ、より外側の位置となる。即ち、集束性が劣化した電子放出素子となる。
【００５３】
アノード電極に到達する電子のビーム径は、放出される電子を総合したビーム径となり、図２のＰで表される径となる。
【００５４】
図３は、図１に示す本実施形態に係る電子放出素子の製造方法の一例を示す図である。
【００５５】
以下、図３を参照して、本実施形態に係る電子放出素子の製造方法の一例を説明する。
【００５６】
まず、図３（ａ）に示すように、基板１上にカソード電極２を積層する。基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不純物含有量を減少させたガラス、青板ガラス、シリコン基板、シリコン基板等にスパッタ法等によりＳｉＯ２を積層した積層体、アルミナ等セラミックスの絶縁性基板などを用いることができる。また、基板１の表面は、予め十分に洗浄されていることが望ましい。
【００５７】
カソード電極２は一般的に導電性を有しており、蒸着法、スパッタ法等の一般的な真空成膜技術、フォトリソグラフィー技術により形成される。カソード電極２の材料は、金属、合金、炭化物、硼化物、窒化物、半導体、有機高分子材料、アモルファスカーボン、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物等から適宜選択される。金属としては、例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等を用いればよく、合金もまたそれら金属を用いて生成されたものを用いればよい。炭化物としては、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣ等、硼化物としては、ＨｆＢ２，ＺｒＢ２，ＬａＢ６，ＣｅＢ６、ＹＢ４，ＧｄＢ４等、窒化物としては、ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ等、そして、半導体としては、Ｓｉ，Ｇｅ等を用いればよい。カソード電極２の厚さとしては、数十ｎｍから数ｍｍの範囲で設定され、好ましくは数百ｎｍから数μｍの範囲で選択される。
【００５８】
また、絶縁性シリコン基板の一部をドーピングして導電性としてカソード電極２としてもよい。カソード電極２は組成の違う多層構成にしてもよい。カソード電極２、その一部が高抵抗体で積層されていてもよい。
【００５９】
次に、カソード電極上に、電子放出材５を形成（積層）する（図３（ａ））。
【００６０】
電子放出材５は蒸着法、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等の一般的な成膜技術などで形成される。電子放出材５の材料は、低仕事関数の材料を選択するのが好ましい。例えば、アモルファスカーボン，グラファイト，ダイヤモンドライクカーボン，ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物等から適宜選択される。
【００６１】
電子放出材５の膜厚としては、数ｎｍから数百ｎｍの範囲で設定され、好ましくは数ｎｍから数十ｎｍの範囲で選択される。
【００６２】
電子放出材５は、カソード電極２と電気的に接続される必要があり、導電性を有していることが望ましい。例えば、絶縁性の材料であればドーピングによる導電性の付加などが必要である。また、電子放出材５自体が導電性であってもよい。
【００６３】
その後、絶縁部材６（絶縁層６ａ〜６ｃ）及びゲート電極４を順次堆積する（図３（ｂ））。
【００６４】
絶縁部材６は、スパッタ法等の一般的な真空成膜法、ＣＶＤ法、真空蒸着法で形成され、その厚さとしては、数ｎｍから数μｍの範囲で設定され、好ましくは数十ｎｍから数百ｎｍの範囲で選択される。
【００６５】
絶縁層を３つ以上積層したものを絶縁部材とすることにより、有効な効果（集束性に優れた電子ビーム）を得ることが可能となる。なお、本実施形態では、図３（ｂ）の工程に、第１の絶縁層よりもエッチングレートの高い材料で第２の絶縁層を形成する工程を含むものとする。エッチングレートの違いは、例えば、組成の違い（構成材、ドーピング量）や、製造手法の違い（密度、結合の違い）によってもたらされる。このように絶縁層を３層以上積層することによって（絶縁層６ａ〜６ｃを積層することによって）絶縁部材６を形成する工程が本発明において特徴的な第１の工程である。
【００６６】
２種類以上の絶縁層の組み合わせにおいて、組成の違いの例としては、ＳｉＯ２／ＳｉＮ、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３、その他ＳｉＯＮの組成違いなどがある。また、成膜手法による違いの例としては、プラズマＣＶＤ法によって成膜されたＳｉＯ２／スパッタ法によって成膜されたＳｉＯ２などがある。
【００６７】
ゲート電極４は、カソード電極２と同様に導電性を有しており、蒸着法、スパッタ法等の一般的な真空成膜技術、フォトリソグラフィー技術により形成される。ゲート電極４の材料は、金属、合金、炭化物、硼化物、窒化物、半導体、有機高分子材料等から適宜選択される。金属としては、例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等であり、合金もまたそれら金属を用いて生成される。炭化物としては、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣ等、硼化物としては、ＨｆＢ２，ＺｒＢ２，ＬａＢ６，ＣｅＢ６、ＹＢ４，ＧｄＢ４等、窒化物としては、ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ等、そして、半導体としては、Ｓｉ，Ｇｅ等を用いればよい。
【００６８】
次に、フォトリソグラフィー技術によりマスクパターン３１を形成する（図３（ｃ））。
【００６９】
そして、図３（ｄ）に示すように、マスクパターン３１を利用して、ゲート電極４と絶縁層６の一部を取り除く。これにより、ゲート電極と絶縁部材のそれぞれに、互いに連通する開口を設けることができる。なお、このように設けられたゲート電極と絶縁部材の開口の大きさ、形状、及び、（その形状の）向きは、互いに略等しくなる。これら開口の作製は、ゲート電極、絶縁層の材料、厚さにより、ドライエッチング法、ウエットエッチング法などが適宜選択される。また、場合により集束イオンビームエッチング、などの部分的な微細加工などを適宜選択してもよい。
【００７０】
次に、図３（ｅ）に示すように、マスクパターン３１を剥離する。
【００７１】
そして、図３（ｆ）に示すように、絶縁部材６の開口を所望の側壁構造にする。当該工程が本発明において特徴的な第２の工程である。具体的には、第２の絶縁層の開口をゲート電極の開口より大きくする。本実施形態では、当該工程を、ウエットエッチング法を用いて行う。当該工程をウエットエッチング法により行えば、ゲート電極４と絶縁部材６との開口が互いに同心的であり、かつ、形状の向きも互いにほぼ同じになる。
【００７２】
本実施形態において有効な絶縁層（集束性に優れ、長期間安定して駆動することのできる電子放出素子とするための絶縁層）の構造について説明する。
【００７３】
ゲート電極４に接する第１の絶縁層（絶縁層６ｃ）には、２つの役目がある。
【００７４】
ひとつはゲート電極４の支持体としての役目である。ゲート電極４は、開口に有効な電位を与えるために最低限の厚さを必要とする。一方、ゲート電極４の厚さを厚くしていくと、開口高さｈが大きくなり、電子放出効率が低くなる。すなわち、集束性と電子放出効率とを両立させるためには、ゲート電極４は適度な厚さがよい。しかしながら、そのような厚さでは、ゲート電極４の十分な機械的強度を得ることができない。そのため、第１の絶縁層（絶縁層６ｃ）の開口がゲート電極４の開口より大きい場合、開口内に形成される電界により、ゲート電極４に変形が生じる恐れがある。そこで、第１の絶縁層（絶縁層６ｃ）の開口を、ゲート電極４の開口と略同じ大きさにすることにより、そのような変形に強くすることができる。
【００７５】
もう一つは、プロセス時に起こるリーク電流を低減させる役目である。このようなリーク電流は開口作製時の側壁にエッチングによる残渣物（付着物）が付着することによって生じる。これを取り除くためには、側壁部分の表面をエッチングするのが効果的である。この工程を、ウエットエッチング法を用いて行う場合、ゲート電極にプロセス耐性がなければ、ゲート電極としての抵抗が増大したり、ゲート電極の密着性が低下したりしてしま
う。また、ゲート電極自体に耐性があっても、ゲート電極の一部にピンホールがあると、エッチング溶液がゲート電極のピンホール部より絶縁部材を侵食し、そこがリーク電流の起源となり、絶縁耐圧の低下につながる。ゲート電極に接する第１の絶縁層（絶縁層６ｃ）がエッチング耐性のある構造（エッチングに用いる液体に対して溶けにくい材料；エッチングレートの低い材料）であれば、ゲート電極上部からのエッチング溶液の侵食を防止でき、リーク電流の発生を抑制できる。
【００７６】
図３（ｆ）において第２の絶縁層（絶縁層ｂ）の開口をゲート電極の開口よりも大きくすることにも２つの役目がある。以下に、図３の例を用いて説明する。
【００７７】
ひとつは、第２の絶縁層よりカソード電極側の絶縁層（図３の例では最下層である絶縁層６ａ）との組み合わせによって集束性を向上させる役目を持つ。具体的には、開口の大きさを、
絶縁層６ａの開口 ＜ 絶縁層６ｂの開口
とすることで、電子ビームの集束性に優れた凹型の等電位面とすることができる。
【００７８】
もうひとつは、リーク電流の低減である。ゲート電極や絶縁部材の開口周辺の導電パスを介して流れるカソード電極−ゲート電極間のリーク電流を防ぐためには、絶縁部材の開口に付着した残渣物（付着物）を取り除けばよい。絶縁部材を多層にして、いずれかの層の付着物を取り除くことで、そのようなリーク電流を低減することができる。具体的には、図３（ｆ）に示す工程にウエットエッチング法を用いることにより、いずれかの絶縁層の表面を溶解し、付着物を取り除くことができる。また、このような構造にすることで絶縁部材の沿面距離が長くなるため、絶縁部材の絶縁耐圧も上がる。
【００７９】
以上のように、絶縁部材を多層にすることにより、集束性に優れ、長期間安定して駆動することのできる電子放出素子が構成可能となる。なお、このような絶縁部材を形成するためには、ウエットエッチング法を用いて所望の形状になるように、各層のエッチング耐性を考慮すればよい。具体的には、絶縁層６ｂには絶縁層６ａや絶縁層６ｃよりもエッチングレートの高い材料を用いればよい。
【００８０】
さらには、上述したような構成の電子放出素子は、積層を繰り返すだけの非常に単純な構成であるため、製造プロセスが容易であり、歩留まり良く製造できる。
【００８１】
図３の例において、上記第１の絶縁層と第２の絶縁層の役割を考慮すると、以下の方法で集束性に優れ、長期間安定して駆動することのできる電子放出素子の構造が決定できる。
【００８２】
まず、十分な集束性を得るための絶縁層６ａ（第３の絶縁層；第２の絶縁層よりカソード電極側の絶縁層）と絶縁層６ｂ（第２の絶縁層）の厚さｔ１、ｔ２を決める。
【００８３】
そして、絶縁層６ｂの開口径ｗ２を決める。絶縁層６ｂの後退距離（エッチング量）も集束性に影響するパラメータであり、その後退距離の大きさは、第１の絶縁層６ａが支持体としての十分な役割を保持できるならば、大きい方がよい。当該後退距離によって開口径ｗ２は変動する。
【００８４】
一方、絶縁層６ｃは集束性にあまり関連しないため、プロセス耐性を考慮し、材質と厚さを適宜決定する。
【００８５】
このようにして、図１に示すような電子放出素子が完成する。
【００８６】
ゲート電極の開口の大きさ（開口径ｗ）は、ビーム径の大きさを左右する因子であり、数μｍ程度であれば、開口径が小さい程ビーム径が小さくなる。好ましくは、数百ｎｍから数十μｍである。さらに好ましくは、１００ｎｍから３μｍである。
【００８７】
ゲート電極の開口が電子放出材の露出している領域（露出領域）よりも大きいこと、具体的には、電子放出材の設置位置から電子が放出される側に向かうにつれて開口が大きくなることもまた、集束性を左右する因子である。なお、各層のそれぞれの開口がそのような形状を有することも集束性を左右する。
【００８８】
全ての開口の大きさが等しい、すなわち、開口に傾斜がなく、基板に対して垂直な開口を傾斜角９０度（開口の外側からの角度）とすると、９０度付近の開口は作製しやすい。９０度以上の傾斜（逆テーパ構造）は、プロセスにおいて、側壁付着物が増えるなど、問題が起こりやすい。
【００８９】
そのため、製造プロセスで一般的な開口は、４５度以上９０度程度となる。傾斜している開口は、９０度の開口より、より優れた集束性を得ることができる。ただし、上述したように、優れた集束性を得るには、開口径を小さくすることが効果的である。開口の傾斜が大きい構造は、開口径ｗが大きい構造と等価であるため、電界がかかりにくく、集束性の劣った構造となる。従って、開口内に良好な電界分布をつけるためには、傾斜を６０度以上９０度以下とすることが好ましい。なお、本実施形態では、電子放出素子の断面において、ゲート電極の端と電子放出材の露出領域の端とを交差しないように結んだ仮想的な２つの直線（仮想直線）を考える。そして、それぞれ仮想直線の基板に対する開口の外側からの角度を開口の傾斜角度とする。
【００９０】
＜応用例＞
本実施形態に係る電子放出素子の応用例について以下に述べる。本実施形態に係る電子放出素子は、例えば、複数個を基体上に配列することにより電子源を構成することができる。そして、当該電子源を用いて画像表示装置を構成することができる。
【００９１】
電子放出素子の配列については、種々のものが採用される。一例として、電子放出素子をＸ方向及びＹ方向に行列状に複数配する。同じ行に配された複数の電子放出素子の電極の一方を、Ｘ方向の配線に共通に接続し、同じ列に配された複数の電子放出素子の電極の他方を、Ｙ方向の配線に共通に接続する。これを単純マトリクス配置という。以下単純マトリクス配置について詳述する。
【００９２】
図４、図５において、５１、６１は電子源基体、５２、６２はＸ方向配線、５３、６３はＹ方向配線である。６４は本実施形態の電子放出素子である。
【００９３】
Ｘ方向配線６２は、Ｄｘ１，Ｄｘ２，・・・Ｄｘｍのｍ本の配線からなり、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等を用いて形成された導電性金属等で構成することができる。配線の材料、膜厚、幅は、適宜設計される。Ｙ方向配線６３は、Ｄｙ１，Ｄｙ２，・・・Ｄｙｎのｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線６２と同様に形成される。これらｍ本のＸ方向配線６２とｎ本のＹ方向配線６３との間には、層間絶縁層（不図示）が設けられており、両者は電気的に分離されている（ｍ，ｎは、共に正の整数）。
【００９４】
層間絶縁層（不図示）は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等を用いて形成されたＳｉＯ２等で構成される。例えば、Ｘ方向配線６２を形成した電子源基体６１の全面或いは一部に所望の形状で形成される。特に、Ｘ方向配線６２とＹ方向配線６３の交差部の電位差に耐え得るように、膜厚、材料、製法が適宜設定される。Ｘ方向配線６２とＹ方向配線６３は、それぞれ外部端子として引き出されている。
【００９５】
電子放出素子６４を構成するｍ本のＸ方向配線６２は、カソード電極２を兼ねる場合があり、ｎ本のＹ方向配線６３は、ゲート電極４を兼ねる場合があり、層間絶縁層は絶縁部材６を兼ねる場合がある。
【００９６】
Ｘ方向配線６２には、不図示の走査信号印加手段が接続される。走査信号印加手段は、選択されたＸ方向配線に接続されている電子放出素子６４に走査信号を印加する。一方、Ｙ方向配線６３には、不図示の変調信号発生手段が接続される。変調信号発生手段は、電子放出素子６４の各列に、入力信号に応じて変調された変調信号を印加する。各電子放出素子に印加される駆動電圧は、それぞれ、電子放出素子に印加される走査信号と変調信号の差電圧として供給される。
【００９７】
このように、本実施形態に係る電子放出素子を複数備える電子源を作製することができる。上記構成においては、単純なマトリクス配線を用いて、電子放出素子を個別に選択し、独立に駆動可能とすることができる。上記電子源を用いて構成した画像表示装置について、図６を用いて説明する。図６は、画像表示装置の表示パネルの一例を示す模式図である。
【００９８】
図６において、７１は電子放出素子、８０は電子源基板、９１はリアプレート、９６はフェースプレート、９２は支持枠である。電子源基板８０には電子放出素子７１が複数配されており、リアプレート９１には電子源基板８０が固定されている。フェースプレート９６はガラス基体９３、蛍光膜９４、メタルバック９５等によって形成されている。蛍光膜９４、メタルバック９５はガラス基体９３の内側に設けられている。図６の例では、ガラス基体９３の内面（内側表面）に蛍光膜９４が設けられており、蛍光膜９４の内面にメタルバック９５が設けられている。支持枠９２には、リアプレート９１とフェースプレート９６がフリットガラスなどを用いて接続される。
【００９９】
外囲器（パネル）９８は、フェースプレート９６、支持枠９２、リアプレート９１で構成される。リアプレート９１は、主に電子源基板８０の強度を補強する目的で設けられるため、電子源基板８０自体が十分な強度を持つ場合には、別体のリアプレート９１は不要とすることができる。換言すれば、電子源基板８０とリアプレート９１は、一体構成の部材であっても構わない。
【０１００】
フェースプレート９６と、リアプレート９１と、支持枠９２とは、夫々の接合する面（接着面）にフリットガラスを塗布し、所定の位置で合わせ、固定し、加熱してフリットガラスを焼成することにより封着される。
【０１０１】
また、そのような加熱するための手段としては、赤外線ランプ等を用いたランプ加熱、ホットプレート等、種々のものが採用できるが、これらに限定されるものではない。
【０１０２】
また、外囲器を構成する複数の部材を加熱接着する接着材料は、フリットガラスに限るものではなく、封着工程後、十分な真空状態を保つことができる種々の接着材料を採用することができる。
【０１０３】
上述した外囲器は、本発明の一実施態様であり、限定されるものではなく、種々のものが採用できる。
【０１０４】
他の例として、電子源基板８０に直接支持枠９２を封着し、フェースプレート９６、支持枠９２及び電子源基板８０で外囲器９８を構成しても良い。また、フェースプレート９６、リアプレート９１間に、スペーサーとよばれる不図示の支持体を設置することにより
、大気圧に対して十分な強度をもつ外囲器９８を構成することもできる。
【０１０５】
また、図７にフェースプレート９６に形成された蛍光膜９４の模式図を示す。蛍光膜９４は、電子源から放出された電子によって画像を形成する画像形成部材である。蛍光膜９４は、モノクロームの場合は蛍光体８５のみから構成することができる。カラーの蛍光膜の場合は、ブラックストライプ（図７（ａ））、ブラックマトリクス（図７（ｂ））などと呼ばれる黒色導電材８６と蛍光体８５とから構成することができる。
【０１０６】
ブラックストライプ、ブラックマトリクスを設ける目的は２つある。１つ目は、カラー表示の場合、必要となる三原色蛍光体の各蛍光体８５間の塗り分け部を黒くすることで混色等を目立たなくすることである。そして２つ目は、蛍光膜９４における外光反射によるコントラストの低下を抑制することにある。ブラックストライプの材料としては、通常用いられている黒鉛を主成分とする材料の他、導電性があり、光の透過及び反射が少ない材料を用いることができる。
【０１０７】
ガラス基体９３に蛍光体を塗布する方法は、モノクローム、カラーによらず、沈澱法、印刷法等が採用できる。蛍光膜９４の内面側には、通常メタルバック９５が設けられる。メタルバックを設ける目的は３つあり、１つは、蛍光体の発光のうち内面側への光をフェースプレート９６側へ鏡面反射させることにより輝度を向上させることにある。そして、電子ビーム加速電圧を印加するための電極として作用させること、外囲器内で発生した負イオンの衝突によるダメージから蛍光膜９４を保護すること等も、メタルバックを設ける目的である。メタルバック９５は、蛍光膜作製後、蛍光膜の内面側表面の平滑化処理（通常、「フィルミング」と呼ばれる。）を行い、その後Ａｌを真空蒸着等を用いて堆積させることで作製できる。
【０１０８】
フェースプレート９６には、蛍光膜９４の導電性を高めるため、更に、蛍光膜９４の外面側に透明電極（不図示）を設けてもよい。
【０１０９】
本実施形態に係る画像表示装置において、電子放出素子７１が直上に電子ビームを放出するため、蛍光膜９４は電子放出素子７１の直上に配置される。
【０１１０】
次に、封着工程を施した外囲器（パネル）を真空封止するための真空封止工程について説明する。
【０１１１】
真空封止工程は、まず、外囲器（パネル）９８を加熱して、８０〜２５０℃に保持しながら、イオンポンプ、ソープションポンプなどの排気装置によりの排気管（不図示）を通じて排気する。そして、有機物質の十分に少ない雰囲気にした後、排気管をバーナーで熱して溶解させて封じ切る。外囲器９８の封止後の圧力を維持するために、ゲッター処理を行うこともできる。これは、外囲器９８の真空封止を行う直前あるいは封止後に、抵抗加熱あるいは高周波加熱等を用いた加熱により、外囲器９８内の所定の位置（不図示）に配置されたゲッターを加熱し、蒸着膜を形成する処理である。ゲッターは通常Ｂａ等が主成分であり、該蒸着膜の吸着作用により、外囲器９８内の雰囲気を維持するものである。
【０１１２】
以上の工程によって製造された単純マトリクス配置の電子源を用いて構成した画像表示装置は、各電子放出素子に、容器外端子Ｄｏｘ１〜Ｄｏｘｍ、Ｄｏｙ１〜Ｄｏｙｎを介して電圧を印加することにより、電子放出が生ずる。
【０１１３】
高圧端子９７を介してメタルバック９５、あるいは透明電極（不図示）に高圧を印加することで、電子ビームは加速する。
【０１１４】
加速された電子は、蛍光膜９４に衝突し、発光が生じて画像が形成される。
【０１１５】
図８はＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示を行うための駆動回路の一例を示すブロック図である。
【０１１６】
図１３の駆動回路について説明する。この回路は、内部にＭ個のスイッチング素子を備えたもので（図中，Ｓ１ないしＳｍで模式的に示している）ある。各スイッチング素子は、直流電圧源Ｖｘ１の出力電圧もしくは直流電圧源Ｖｘ２のいずれか一方を選択し、表示パネル１３０１の容器外端子Ｄｏｘ１ないしＤｏｘｍと電気的に接続される。Ｓ１乃至Ｓｍの各スイッチング素子は、制御回路１３０３が出力する制御信号Ｔｓｃａｎに基づいて動作するものであり、例えばＦＥＴのようなスイッチング素子を組み合せることにより構成することができる。直流電圧源Ｖｘ１は、電子放出素子の特性に基づき設定されている。
【０１１７】
制御回路１３０３は、外部より入力する画像信号に基づいて適切な表示が行なわれるように各部の動作を整合させる機能を有する。制御回路１３０３は、同期信号分離回路１３０６より送られる同期信号Ｔｓｙｎｃに基づいて、各部に対してＴｓｃａｎおよびＴｓｆｔおよびＴｍｒｙの各制御信号を発生する。
【０１１８】
同期信号分離回路１３０６は、外部から入力されるＮＴＳＣ方式のテレビ信号（ＮＴＳＣ信号）から同期信号成分と輝度信号成分とを分離する為の回路で、一般的な周波数分離（フィルター）回路等を用いて構成できる。同期信号分離回路１３０６によりＮＴＳＣ信号から分離された同期信号は、垂直同期信号と水平同期信号より成るが、ここでは説明の便宜上Ｔｓｙｎｃ信号として図示した。ＮＴＳＣ信号から分離された画像の輝度信号成分は便宜上ＤＡＴＡ信号と表した。該ＤＡＴＡ信号はシフトレジスタ１３０４に入力される。
【０１１９】
シフトレジスタ１３０４は、時系列的にシリアルに入力されるＤＡＴＡ信号を、画像の１ライン毎にシリアル／パラレル変換するためのもので、制御回路１３０３より送られる制御信号Ｔｓｆｔに基づいて変換する。即ち、制御信号Ｔｓｆｔは，シフトレジスタ１３０４のシフトクロックであるということもできる。シリアル／パラレル変換された画像１ライン分（電子放出素子Ｎ個分の駆動データに相当）のデータは、Ｉｄ１乃至ＩｄｎのＮ個の並列信号として出力され、ラインメモリ１３０５に入力される。
【０１２０】
ラインメモリ１３０５は、画像１ライン分のデータを必要時間の間だけ記憶する為の記憶装置であり、制御回路１３０３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに従って適宜Ｉｄ１乃至Ｉｄｎの内容を記憶する。記憶された内容は、Ｉｄ´１乃至Ｉｄ´ｎとして出力され、変調信号発生器１３０７に入力される。
【０１２１】
変調信号発生器１３０７は、画像データＩｄ´１乃至Ｉｄ´ｎの各々に応じて本実施形態の電子放出素子の各々を適切に駆動変調する為の変調信号の信号源である。変調信号発生器１３０７からの出力信号は、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを通じて表示パネル１３０１内の電子放出素子に印加される。
【０１２２】
本電子放出素子にパルス状の電圧を印加する場合、例えば、電子放出電圧以下の電圧を印加しても電子放出は生じないが、電子放出電圧以上の電圧を印加すると電子ビームが出力される。その際、パルスの波高値Ｖｍを変化させる事により出力電子ビームの強度を制御することが可能である。また、パルスの幅Ｐｗを変化させることにより出力される電子ビームの電荷の総量を制御する事が可能である。
【０１２３】
従って、入力信号に応じて、電子放出素子を変調する方式としては、電圧変調方式、パルス幅変調方式等が採用できる。電圧変調方式を実施するに際しては、変調信号発生器１３０７として、一定長さの電圧パルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜パルスの波高値を変調するような電圧変調方式の回路を用いることができる。
【０１２４】
パルス幅変調方式を実施するに際しては、変調信号発生器１３０７として、一定の波高値の電圧パルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜電圧パルスの幅を変調するようなパルス幅変調方式の回路を用いることができる。
【０１２５】
シフトレジスタ１３０４やラインメモリ１３０５は、デジタル信号式あるいはアナログ信号式のものを採用できる。画像信号のシリアル／パラレル変換や記憶が所定の速度で行なわれれば良いからである。
【０１２６】
デジタル信号式を用いる場合には、同期信号分離回路１３０６の出力信号ＤＡＴＡをデジタル信号化する必要があるが、これには１３０６の出力部にＡ／Ｄ変換器を設ければ良い。これに関連してラインメモリ１３０５の出力信号がデジタル信号かアナログ信号かにより、変調信号発生器１３０７に用いられる回路が若干異なったものとなる。具体的には、デジタル信号を用いた電圧変調方式の場合、変調信号発生器１３０７には、例えばＤ／Ａ変換回路を用い、必要に応じて増幅回路などを付加する。パルス幅変調方式の場合、変調信号発生器１３０７には、例えば、高速の発振器、当該発振器の出力する波数を計数する計数器（カウンタ）、及び、計数器の出力値とラインメモリの出力値を比較する比較器（コンパレータ）を組み合せた回路を用いる。必要に応じて、比較器の出力するパルス幅変調された変調信号を、本実施形態における電子放出素子の駆動電圧にまで電圧増幅するための増幅器を付加することもできる。
【０１２７】
アナログ信号を用いた電圧変調方式の場合、変調信号発生器１３０７には、例えばオペアンプなどを用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシフト回路などを付加することもできる。パルス幅変調方式の場合には、例えば、電圧制御型発振回路（ＶＣＯ）を採用でき、必要に応じて本発明の電子放出素子の駆動電圧まで電圧増幅するための増幅器を付加することもできる。
【０１２８】
ここで述べた画像表示装置の構成は、本発明を適用可能な画像表示装置の一例であり、本発明の技術思想に基づいて種々の変形が可能である。入力信号については、ＮＴＳＣ方式を挙げたが入力信号はこれに限られるものではなく、ＰＡＬ，ＳＥＣＡＭ方式などの他、これよりも多数の走査線からなるＴＶ信号（例えば、ＭＵＳＥ方式をはじめとする高品位ＴＶ）方式をも採用できる。
【０１２９】
また表示装置の他、感光性ドラム等を用いて構成された光プリンターとしての画像形成装置等としても用いることができる。
【０１３０】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
【０１３１】
＜実施例１＞
図１のような電子放出素子を複数備える図４の電子源の製造方法の具体例を、本実施形態における第１実施例として説明する。
【０１３２】
（工程１）
まず、基板１としてＰＤ２００ガラスを用いた。十分洗浄を行った後、カソード電極２として厚さ８００ｎｍのＴａを形成した。
【０１３３】
（工程２）
次にプラズマＣＶＤ法でダイヤモンドライクカーボンの電子放出材５を所望の場所にマスク材を用いて厚さ３０ｎｍ程度堆積したあと、マスクを取り除いた。反応ガスとしてはＣＨ４ガスを用いた。
【０１３４】
（工程３）
さらに絶縁部材６として厚さ４００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ａ）、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２（第２の絶縁層；絶縁層６ｂ）、厚さ３００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（第１の絶縁層；絶縁層６ｃ）を、順に堆積した。
【０１３５】
また、比較例として、絶縁部材６が、厚さ１μｍのＳｉＯ２であるものも同時に作製した。
【０１３６】
さらに、ゲート電極４として厚さ１００ｎｍのＰｔを堆積した。
【０１３７】
（工程４）
さらに、フォトリソグラフィー法を利用してレジストのマスクパターン３１を形成した。本実施例では、レジスト材を硬化するためにレジスト材をＵＶキュアした。
【０１３８】
（工程５）
次に、マスクパターン３１をマスクとして、Ｐｔのゲート電極４をＡｒプラズマエッチングで除去し、さらに絶縁層６ａ〜６ｃを、ＣＦ４ガスを用いてそれぞれドライエッチングした。
【０１３９】
（工程６）
そして、マスクパターン３１を剥離し、十分な洗浄を行った。ここでカソード電極−ゲート電極間抵抗をテスタにより測定した。本実施例の電子放出素子、比較例の電子放出素子とも、プロセス残渣により、１００ｋΩの抵抗であった。
【０１４０】
（工程７）
次に、ＨＦ：ＮＨ３Ｆ＝１：１６のバッファードフッ酸でウエットエッチングを行った。本溶液に対して、ＳｉＯ２（絶縁層６ｂ）のエッチングレートは、５０ｎｍ／分であり、Ｓｉ３Ｎ４（絶縁層６ａ、絶縁層６ｃ）のエッチングレートよりも高く、ＳｉＯ２：Ｓｉ３Ｎ４＝１００：１以上であった。
【０１４１】
エッチング溶液の濃度とエッチング時間を制御することで、絶縁部材の側壁構造として様々な構造を作製することができる。本実施例の電子放出素子では、絶縁層６ｂのみがエッチングに用いた溶液に対して高いエッチングレートを有していたため、図３（ｆ）のように絶縁層６ｂの開口が、絶縁層６ａ及び絶縁層６ｃの開口よりも大きい構成となった。また、比較例の電子放出素子では、絶縁部材全体の開口が、ゲート電極の開口より大きくなった。
【０１４２】
本実施例の電子放出素子では、開口はほぼ垂直９０度に形成された。具体的には、ｗ＝３μｍ＝ｗ１＝ｗ３、ｗ２＝６μｍであった。
【０１４３】
ここで、本実施例の電子放出素子と比較例の電子放出素子を観察したが、両者ともゲート電極４の上部にエッチングなどの製造プロセスによる形態の変化がみられた。また、ゲート電極４の一部が、剥離されているものが比較例の電子放出素子では発生したが、本実施例の電子放出素子ではそのようなものはなかった。
【０１４４】
これは、（工程６）のエッチング溶液が、比較例の電子放出素子では、ゲート電極のピンホールから、その下の絶縁部材６のＳｉＯ２を侵食したため、ゲート電極の密着性が劣化し、剥離したものと考えられる。実施例１の電子放出素子では、ゲート電極４のピンホールの発生頻度は同じだが、第３の絶縁層６ｃのＳｉ３Ｎ４は侵食されず、ゲート電極の剥離は起こらなかった。
【０１４５】
さらに、これら電子放出素子のカソード電極−ゲート電極間抵抗を、テスタを用いて測定した。実施例１、比較例とも抵抗は１００ＭΩ以上であり、プロセス残渣による抵抗低下はなくなった。
【０１４６】
以上のようにして作製した実施例１の電子放出素子と比較例の電子放出素子とを、それぞれ、図２のように、Ｈ＝２ｍｍとして配置した。Ｖａ＝１０ｋＶ、Ｖｇ＝５０Ｖとした。
【０１４７】
ここで、アノード電極７として蛍光体を塗布した電極を用い、電子ビームのサイズを観察した。ここでいう電子ビームサイズとは、発光した蛍光体でのピーク輝度の１０％の領域までのサイズである。
【０１４８】
実施例１の電子放出素子の電子放出効率は、０．５〜０．９であり、比較例の電子放出素子では、０．１〜０．５であった。
【０１４９】
これは、比較例の電子放出素子では、電子放出材５の露出領域の一部が、ゲート電極４の直下に位置しており、ゲート電極直下の電界は強いため、当該位置から電子放出しやすくなっているためである。具体的には、ゲート電極４の直下から放出された電子が、ゲート電極４に入射するため、カソード電極−ゲート電極間に電流が流れる。そのため、無効電流が増加し、効率が低下したものと考えられる。本実施例の電子放出素子では、電子放出材５がゲート電極４の直下ではなく、ゲート電極の開口内に露出している。更に、本実施例の電子放出素子では、絶縁層６ａと絶縁層６ｂで形成された集束電位構造の効果により、ゲート電極に入射する電子はほとんど存在しないため、効率がよくなったと考えられる。
【０１５０】
実施例１の電子放出素子では、比較例の電子放出素子に比べビーム径は７５％であり、集束性に優れていた。また、比較例の電子放出素子のみ、輝度比は最大輝度の１％未満であるが、主要ビームの周辺に、ビームの広がりが観察された。
【０１５１】
これは、比較例の電子放出素子では、ゲート電極４に入射した電子の一部が、散乱により再放出され、アノード電極に到達したため、主要ビーム周辺に輝度の低いビームが観察されたものと考えられる。
【０１５２】
さらに、本実施例の電子放出素子と比較例の電子放出素子とを、１０時間駆動した。その結果、比較例の電子放出素子では、駆動直後には電子が出やすかったものの、その後劣化する電子放出素子が発生した。比較例の電子放出素子をとりだして観察したところ、ゲート電極が開口付近で開口内に屈曲して折れ曲がっているものがあった。
【０１５３】
さらに、１０時間駆動後にリーク電流の増加率と発生頻度を測定した。リーク電流が初期に比べ１０％以上増えたものの発生頻度は、実施例１の電子放出素子では、比較例の電子放出素子に比べ１／５に軽減されていた。
【０１５４】
＜実施例２＞
図９に第２実施例の電子放出素子を示す。本実施例は、開口に傾斜がある例（ゲート電
極の開口が電子放出材の露出領域よりも大きい場合の例）である。図９（ａ）は平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）におけるＡ−Ａ´の断面図である。図１０に本実施例の電子放出素子の製造方法を示す。
【０１５５】
（工程１）
まず、基板１としてＰＤ２００ガラスを用いた。十分洗浄を行った後、カソード電極２として厚さ８００ｎｍのＴａを形成した。
【０１５６】
（工程２）
次にプラズマＣＶＤ法でダイヤモンドライクカーボンの電子放出材５を所望の場所にマスク材を用いて厚さ３０ｎｍ程度堆積したあと、マスクを取り除いた。反応ガスはＣＨ４ガスを用いた（図１０（ａ））。
【０１５７】
（工程３）
そして、電位放出材上に、第２のカソード電極３として、厚さ１００ｎｍのＴａを積層した。さらに、第２のカソード電極上に、絶縁部材６として、厚さ３００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ａ）、厚さ５００ｎｍのＳｉＯ２（絶縁層６ｂ；第２の絶縁層）、厚さ２００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ｃ；第１の絶縁層）を、順に堆積した。さらに、ゲート電極４として厚さ１００ｎｍのＰｔを堆積した（図１０（ｂ））。第２のカソード電極３は、カソード電極２と電気的に接続されており、このような第２のカソード電極３を設けることにより集束性に優れた電子放出素子を作製することができる。
【０１５８】
（工程４）
さらにフォトリソグラフィー法を利用してレジストのマスクパターン３１を形成した（図１０（ｃ））。
【０１５９】
レジスト形状は矩形とした。実施例１では、レジスト材を硬化するためにＵＶキュアしたが、実施例２ではＵＶキュアをしなかった。
【０１６０】
（工程５）
マスクパターン３１をマスクとして、Ｐｔのゲート電極４をＡｒプラズマエッチングで除去した。さらに、絶縁層６ｃ、絶縁層６ｂ、絶縁層６ａ、第２のカソード電極３をＣＨＦ３もしくはＣＨＦ３＋Ｏ２ガスを用いてそれぞれドライエッチングした（図１０（ｄ））。
【０１６１】
酸素ガスを付加したことにより、開口に傾斜をつけた状態でエッチングを進行させることができた。
【０１６２】
（工程６）
マスクパターン３１を剥離し、十分な洗浄を行った（図１０（ｅ））。
【０１６３】
（工程７）
次に、ＨＦ：ＮＨ３Ｆ＝１：１６のバッファードフッ酸でウエットエッチングを行った。
【０１６４】
第１実施例より、エッチング時間を短くし、本実施例では、図１０（ｆ）のような構成の電子放出素子が作製できた。
【０１６５】
本実施例の電子放出素子では、開口の傾斜角θ１は７５度であった。また、ｗｂｏｔｔｏｍ＝３μｍ、ｗｔｏｐ＝３．６μｍであり、ｗ１＝３μｍ、ｗ２＝４μｍ、ｗ３＝３．
５μｍで、、ｈ＝１．２μｍ、ｈ１＝０．１、ｈ２＝１μｍ、ｈ３＝０．１μｍであった。また、ｔ１＝０．３μｍ、ｔ２＝０．５μｍ、ｔ３＝０．２μｍであった。
【０１６６】
本実施例では、集束性は３つの構成によりもたらされている。一つは、実施例１で示した、絶縁層６ａと絶縁層６ｂの形状であり、さらに、実施例２では、第２のカソード電極３を電子放出材の上面に配置したことと、開口の傾斜角でビームの集束性が高まっている。
【０１６７】
更に、実施例２では、集束性が第２のカソード電極の膜厚で制御できるため、絶縁層６ｂの後退量は、集束性を確保するためというより、むしろリーク電流の低減と支持体としての効果を両立できれば十分である。即ち、実施例１では、集束性を確保するために、絶縁層６ｂの後退量を大きくする必要があったが、実施例２では、実施例１より絶縁層６ｂの後退量が少なくても高い集束性の電子放出素子を作製できる。それにより、実施例１よりも高い安定性を有し、実施例１と同様の集束性を確保できる。
【０１６８】
＜実施例３＞
図１１に第３実施例の電子放出素子を示す。以下、本実施例の電子放出素子の製造方法について説明する。
【０１６９】
（工程１）
まず、基板１としてＰＤ２００を用いた。十分洗浄を行った後、カソード電極２として厚さ６５０ｎｍのＴｉＮを形成した。
【０１７０】
（工程２）
さらに絶縁部材６として厚さ１００ｎｍのＳｉＯＮ（絶縁層６ａ）、厚さ８００ｎｍのＳｉＯ２（絶縁層６ｂ；第２の絶縁層）、厚さ１００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ｃ；第１の絶縁層）を、順に堆積した。さらに、ゲート電極４として厚さ１００ｎｍのＰｔを堆積した。
【０１７１】
（工程３）
さらにフォトリソグラフィー法を利用してレジストのマスクパターン３１を形成した。
【０１７２】
（工程４）
マスクパターン３１をマスクとして、Ｐｔのゲート電極４をＡｒプラズマエッチングで、絶縁部材６をＣＨＦ３＋Ｏ２ガスで、ＴｉＮのカソード電極２を１５０ｎｍの深さまでＢＣｌ３ガスで、それぞれドライエッチングした。このとき、開口の傾斜角は８５度であった。
【０１７３】
（工程５）
次にホットフィラメントＣＶＤ法でダイヤモンドライクカーボンの電子放出材５を厚さ５０ｎｍ程度堆積した。反応ガスはＣＨ４ガスを用いた。基板には、バイアス電圧をかけるため、放出材の堆積は、マスク上とカソード電極２上に堆積した。
【０１７４】
（工程６）
次に、ゲート電極上の放出材をレジストマスクごと剥離して取り除いた。
【０１７５】
（工程７）
次に、バッファードフッ酸でウエットエッチングを行った。ここで、絶縁層６ｂが後退し、絶縁層６ａのＳｉＯＮもわずかに後退した。これは、エッチングレートがＳｉＯ２＞ＳｉＯＮ＞Ｓｉ３Ｎ４であるためである。またこの時、開口の側壁に付着していたドライ
エッチングの残渣物と、放出材の残渣物が、絶縁層６ａと絶縁層６ｂとともに取り除かれた。すなわち、この工程により、電子放出素子の断面において、絶縁部材が、ゲート電極の開口の端と電子放出材の露出領域の端とを結ぶ仮想的な直線（仮想直線）を２辺とする四角形よりも外側に位置するようになった。当該断面とは、ゲート電極に垂直であり、かつ、ゲート電極と絶縁部材の開口の中心を通るような平面における断面である。このような構成にすれば、沿面距離を更に増すことができるため、よりリーク電流を低減することができる。
【０１７６】
本実施例では、第２の実施例におけるカソード電極２と第２のカソード電極３が１つのカソード電極２で形成されている。すなわち、本実施形態においても、第２の実施例におけるカソード電極２と第２のカソード電極３を同電位となるように接続したのと同様の効果が得られる。
【０１７７】
本実施例では、電子放出材５を、開口の形成後に成膜することで、放出領域を開口内部に限定することができる。また、カソード電極と保護層を密着性のよい材料を選択し、素子構造を強固にすることができる。また、放出材を開口形成後に作製するため、開口製造時のプロセス劣化を考慮しなくてもよく、放出材の選択範囲が広がる。
【０１７８】
一方、放出材を開口形成後に形成する場合には、放出材が開口内に残りやすくリーク電流の発生要因となっていたが、本実施例のように、絶縁層の一部をエッチングにより取り除くことにより、電子放出材によるリーク電流も低減させることができる。
【０１７９】
＜実施例４＞
図１２に第４実施例の電子放出素子を示す。本実施例は、電子放出材の一部に保護絶縁層４１を有する構造である。ただし、この保護絶縁層４１は絶縁部材を形成する絶縁層には含まれないものとする。
【０１８０】
（工程１）
まず、基板１としてＰＤ２００を用いた。十分洗浄を行った後、カソード電極２として厚さ５００ｎｍのＴｉＮを形成した。
【０１８１】
（工程２）
次にプラズマＣＶＤ法でダイヤモンドライクカーボンの電子放出材５を所望の場所にマスク材を用いて厚さ３０ｎｍ程度堆積し、引き続きＳｉＯ２の保護絶縁層４１を厚さ５０ｎｍ積層し、その後マスクを取り除いた。
【０１８２】
（工程３）
さらに第２カソード電極３として、ＴｉＮを厚さ７０ｎｍ堆積した。さらに絶縁部材６として厚さ４００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ａ）、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２（絶縁層６ｂ；第２の絶縁層）、厚さ３００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ｃ；第１の絶縁層）を、順に堆積した。さらに、ゲート電極４として厚さ１００ｎｍのＴｉＮを堆積した。
【０１８３】
（工程４）
さらにフォトリソグラフィー法を利用してレジストのマスクパターン３１を形成した。
【０１８４】
（工程５）
マスクパターン３１をマスクとして、ＴｉＮのゲート電極４をＢＣｌ３ガスで、絶縁部材６をＣＦ４ガスで、ＴｉＮの第２カソード電極をＢＣｌ３ガスで、それぞれドライエッチングした。
【０１８５】
（工程６）
マスクパターン３１を剥離し、十分な洗浄を行った。
【０１８６】
（工程７）
次に、バッファードフッ酸でウエットエッチングを行った、これにより、保護絶縁層４１が取り除かれ、電子放出材が開口内に露出した。また、絶縁層６ｂが後退した。
【０１８７】
本実施例では、集束構造が、保護絶縁層と第２のカソード電極からなっている点が異なっているが、その他の効果は同じである。保護絶縁層４１を用いることで、プロセス中に電子放出材が露出することを防げるため、放出材の劣化を防ぐことが可能である。
【０１８８】
＜実施例５＞
図１３に第５実施例の電子放出素子を示す。
【０１８９】
本実施例の電子放出素子の製造方法は、図９で示した実施例２の電子放出素子のものと同じであるが、絶縁部材６の構成が違うものであり、５つの絶縁層から構成されている。即ち、第２の絶縁層を３つ備える。
【０１９０】
絶縁部材６としてＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ａ）、ＳｉＯＮ（絶縁層６ｂａ；第２の絶縁層）、ＳｉＯ２（絶縁層６ｂｂ；第２の絶縁層）、ＳｉＯＮ（絶縁層６ｂｃ；第２の絶縁層）、Ｓｉ３Ｎ４（絶縁層６ｃ；第１の絶縁層）を積層した。当該積層は、プラズマＣＶＤ法で、それぞれの絶縁層について、使用ガスと、パワーなどの成膜条件を変えることで行なった。ここで、絶縁層６ａの厚さを１００ｎｍ、絶縁層６ｂａの厚さを２００ｎｍ、絶縁層６ｂｂの厚さを４００ｎｍ、絶縁層６ｂｃの厚さを２００ｎｍ、絶縁層６ｃの厚さを１００ｎｍとした。
【０１９１】
本構成では、絶縁層の数を増やすことにより、より精度よく電界分布を定義することができる。
【０１９２】
＜実施例６＞
図１４に第６実施例の電子放出素子を示す。
【０１９３】
本実施例では、カソード電極３上に、交互に異なる絶縁層を複数積層している。
【０１９４】
絶縁部材６の構成（形成方法）について説明する。まず、最下層として厚さ２５０ｎｍのＡｌ２Ｏ３（絶縁層６ａ）を堆積した。そして、その上に厚さ７０ｎｍのＳｉＯ２（絶縁層６ｂａ；第２の絶縁層）と厚さ７０ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ｂｂ；第２の絶縁層）とを交互に３回繰り返し積層した。更に、厚さ７０ｎｍのＳｉＯ２（絶縁層６ｂａ；第２の絶縁層）、厚さ２５０ｎｍのＡｌ２Ｏ３（絶縁層６ｃ；第１の絶縁層）を積層することで絶縁部材６を形成した。各層はスパッタ法により順に堆積された。
【０１９５】
開口形成は、ドライエッチングにより行い、Ａｌ２Ｏ３のエッチングには、Ａｒプラズマエッチングを用いた。
【０１９６】
ウエットエッチングは、バッファードフッ酸を用いたが、Ａｌ２Ｏ３はエッチングされなかった。
【０１９７】
したがって、エッチング工程の条件変更で、図１４の電子放出素子が形成できる。
【０１９８】
本電子放出素子では、Ａｌ２Ｏ３絶縁層が組成として絶縁耐圧が高いため、第２実施例
の電子放出素子と比較してリーク電流の発生量が少なかった。また、本実施例では、カソード電極−ゲート電極間の沿面距離が大きくとれるため、絶縁層の耐圧を更に高くすることができ、長期間の駆動の安定性が向上した。
【０１９９】
＜実施例７＞
次に、実施例１と同じ構成で、絶縁部材の組成が逆の構成である例を示す。
【０２００】
絶縁部材６として厚さ４００ｎｍのＳｉＯ２（絶縁層６ａ）、厚さ３００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ｂ；第２の絶縁層）、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２（絶縁層６ｃ；第１の絶縁層）を、順に堆積した
【０２０１】
開口の形成は、ＣＦ４のドライエッチングで行った。
【０２０２】
ウエットエッチングは、熱燐酸を用いた。これによりＳｉ３Ｎ４がエッチングされ、ＳｉＯ２はエッチングされなかった。
【０２０３】
本実施例のように、絶縁層の構成は、エッチング溶液を変更することで、その構成を変えることができる。ＳｉＯ２とＳｉ３Ｎ４の順序を第１実施例と反対にすると、両者の誘電率の違いが電位分布に影響を与えるが、本実施例では、第２の絶縁層６ｂが後退しているという形状の効果の方が大きく、等電位面がカソード電極付近で凹となる集束電位の効果は維持できる。また、このようにエッチング溶液を変更すれば、ゲート電極直下の絶縁層を変えることができるので、ゲート電極の材料として、より密着性のよい材質を選択することも可能となる。
【０２０４】
以上説明したように、本実施形態に係る電子放出素子は、電子ビーム径が小さく駆動の安定した電子放出素子であり、このような電子放出素子を電子源や画像表示装置に適用すると、性能に優れた電子源及び画像表示装置を実現できる。
【０２０５】
なお、本実施形態では絶縁部材を形成する３つの絶縁層それぞれの開口の大きさについて詳しく説明しているが、当然、３つの絶縁層それぞれの誘電率を工夫することと組み合せれば、更に電子ビーム径を小さくすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２０６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の構成を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ´の断面図である。
【図２】図２は、図１に示す電子放出素子の駆動状態の詳細を示す図である。
【図３】図３は、図１に示す電子放出素子の製造方法の一例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る電子源の一例を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る電子源の一例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る画像表示装置の一例を示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る画像表示装置における蛍光膜の模式図であり、図７（ａ）はブラックストライプを設けた例であり、図７（ｂ）はブラックマトリクスを設けた例である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る画像表示装置の駆動回路の一例を示すブロック図である。
【図９】図９は、第２実施例の電子放出素子を示す図である。
【図１０】図１０は、第２実施例の電子放出素子の製造方法を示す図である。
【図１１】図１１は、第３実施例の電子放出素子を示す図である。
【図１２】図１２は、第４実施例の電子放出素子を示す図である。
【図１３】図１３は、第５実施例の電子放出素子を示す図である。
【図１４】図１４は、第６実施例の電子放出素子を示す図である。
【図１５】図１５は、従来の電子放出素子を模式的に示した図である。
【図１６】図１６は、従来の電子放出素子を模式的に示した図である。
【図１７】図１７は、従来の電子放出素子を模式的に示した図である。
【図１８】図１８は、従来の電子放出素子を模式的に示した図である。
【図１９】図１９は、従来の電子放出素子を模式的に示した図である。
【図２０】図２０は、従来の電子放出素子を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【０２０７】
１ 基板
２ カソード電極
３ 第２のカソード電極
４ ゲート電極
５ 電子放出材
６ 絶縁部材
６ａ 第１の絶縁層
６ｂ，６ｂａ〜６ｂｃ 第２の絶縁層
６ｃ 第３の絶縁層
７ アノード電極
３１ マスクパターン
４１ 保護絶縁層
５１，６１ 電子源基体
５２，６２ Ｘ方向配線
５３，６３ Ｙ方向配線
６４ 電子放出素子
７１ 電子放出素子
８０ 電子源基板
８５ 蛍光体
８６ 黒色導電材
９１ リアプレート
９２ 支持枠
９３ ガラス基体
９４ 蛍光膜
９５ メタルバック
９６ フェースプレート
９７ 高圧端子
９８ 外囲器
１３０１ 表示パネル
１３０３ 制御回路
１３０４ シフトレジスタ
１３０５ ラインメモリ
１３０６ 同期信号分離回路
１３０７ 変調信号発生器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出素子およびその製造方法に関するものであり、さらに、それを使用した、電子源および画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、カソード電極−ゲート電極間に絶縁層を備え、ゲート電極と絶縁層とのそれぞれに、互いに連通する開口が設けられた電子放出素子が一般に用いられている。そのような電子放出素子における電子放出材は、カソード電極上に形成されており、ゲート電極と絶縁層の開口内に少なくとも一部が露出している。
【０００３】
そのような電子放出素子の例として、カソード電極上に円錐状もしくは円筒状で先端に小さな曲率からなる突起を設けた電子放出材や、カソード電極上にほぼ平坦で低電界放出の電子放出材を備えた電子放出素子がある。カソード電極上に円錐状もしくは円筒状で先端に小さな曲率からなる突起を設けた電子放出材を備えた電子放出素子では、当該突起の先端部より選択的に電界放出がなされる。
【０００４】
カソード電極上にほぼ平坦で低電界放出の電子放出材を備えた電子放出素子は、上述した円錐状もしくは円筒状の電子放出材を備える電子放出素子に比べ、電子ビームの集束性に優れた電子放出素子となる可能性が期待されている。
【０００５】
カソード電極上にほぼ平坦で低電界放出の電子放出材を備えた電子放出素子において、カソード電極の形状を変更することによって電子ビームの集束性をよくする方法がある。そのような技術は、たとえば、特許文献１〜６に開示されている。
【０００６】
図１５に特許文献１に開示された例を示す。これは、電子放出面（電子放出材において電子が放出される面）が、カソード電極層の絶縁層側の面より微細孔内で深い位置に存在する構成である。
【０００７】
図１５では、電子放出素子は、基板１１上のカソード電極層３２、絶縁層１５、ゲート電極層１４で構成され、微細孔２０内の底面（カソード電極上）に、電子放出材１６が配置されている。電子放出材１６の表面（電子放出面）を、カソード電極層３２と絶縁層１５との界面より深い位置とするために、カソード電極層３２には溝が掘り込まれている。
【０００８】
図１６に特許文献６に開示された例を示す。本構成では、電子放出膜３４上にカソード電極３５が設けられている。
【０００９】
また、電極構造ではなく、開口内の電位分布を工夫し、電子ビーム径を小さくする技術がある。
【００１０】
図１７に特許文献７に開示された例を示す。本構成は、絶縁層が誘電率の異なる二層となっている例である。
【００１１】
図１８に特許文献８に開示された例を示す。本構成は、開口径を工夫したもの（カソード電極の表面からゲート電極側に向かうにつれ徐々に開口径を大きくしたもの）である。
【００１２】
以上のように、集束性に優れた電子放出素子を作製し、その電子放出素子を平面基板上に多数配置した電子源を作製し、それを利用して画像表示装置を構成するという、高精細
な画像表示装置を形成するための開発が行われている。
【００１３】
電子放出素子には、良好な電気特性が必要であり、カソード電極−ゲート電極間の無効電流、いわゆるリーク電流の発生は問題である。
【００１４】
リーク電流のうち、開口で生じるリーク電流の原因としては、製造工程時の残渣物がある。残渣物としては、パーティクル（電極材料、電子放出材）の付着、エッチング工程で２次的に発生するもの（ドライエッチングによる側壁生成物）などがある。これらは、極力取り除くことが望まれる。
【００１５】
また、電子放出素子は、長時間の安定な駆動が期待される。
【００１６】
駆動の安定性においても、残渣物の影響がある。残渣物がパーティクルの場合は、開口内の強電界によりパーティクルがチャージして移動し、その際に、放電が起こる場合がある。放電により、開口内に一時的でも過度な温度上昇があれば、開口の変形が起こる。
【００１７】
このためには、温度上昇に強い構造、材料の選択、各層間の密着性の向上が必要であり、開口は変形しにくい構造であることが望まれる。
【００１８】
また、残渣物が導電性の付着物であった場合、開口内の電位分布は曲げられ、その曲がりは、側壁部（絶縁層）への不要な電子の入射を引き起こす可能性がある。電子の入射による絶縁層の帯電現象は、ゲート電極−カソード電極の絶縁耐圧を減少させる場合がある。
【００１９】
絶縁耐圧を上げる方法としては、ゲート電極−カソード電極間の沿面距離を長くするなどの方法がある。
【００２０】
また、リーク電流のない良好な電子放出素子であっても、放出された電子が周辺のガスをイオン化するため、イオン化したガスにより電子放出特性が劣化する。これを防止するために、開口を工夫した例がある。
【００２１】
図１９，２０に特許文献９に開示された例を示す。本構成は、側壁構造を工夫し、電子放出素子の長期安定性を狙った例である。この電子放出素子の場合、電子放出材先端に曲率を設けた構造であり、絶縁層下縁側が開口に対し、後方に後退したものである。
【００２２】
このように開口内は、製造工程の残渣物が除去された状態であり、かつ、開口内の電位分布の変化を抑制するような構造であることなどが重要である。
【特許文献１】特開平８−１１５６５４号公報
【特許文献２】特開平８−２９３２４４号公報
【特許文献３】特開平１０−１２５２１５号公報
【特許文献４】特開２０００−６７７３６号公報
【特許文献５】米国特許第５４７３２１８号明細書
【特許文献６】特開平８−５５５６４号公報
【特許文献７】特表２００２−５３６８０２号公報
【特許文献８】特開２０００−１５６１４７号公報
【特許文献９】特開平１０−３０８１６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするとこ
ろは、電子ビームの集束性に優れ、リーク電流を抑制し、変形の起こりにくい構成を有する電子放出素子を提供することにある。
【００２４】
また、本発明の更なる目的は、そのような電子放出素子を利用した電子源、及び、該電子源を利用した、画質が良好で高精細な画像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】
【００２５】
本発明に係る電子放出素子は、カソード電極、ゲート電極、絶縁部材、及び、電子放出材を備え、前記ゲート電極は、前記カソード電極の上方に位置し、前記絶縁部材は、前記ゲート電極と前記カソード電極の間に位置し、前記ゲート電極と前記絶縁部材のそれぞれに、互いに連通する開口が設けられており、前記電子放出材は、前記カソード電極上に設けられ、かつ、前記ゲート電極と前記絶縁部材の開口内に少なくとも一部が露出する電子放出素子であって、前記絶縁部材は、前記ゲート電極に接し、かつ、前記ゲート電極の開口と略同じ大きさの開口を有する第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層よりも前記カソード電極側に位置し、かつ、前記ゲート電極の開口より大きい開口を有する第２の絶縁層と、を含む３つ以上の絶縁層が積層されたものであることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明に係る電子放出素子の製造方法は、カソード電極、ゲート電極、絶縁部材、及び、電子放出材を備え、前記ゲート電極は、前記カソード電極の上方に位置し、前記絶縁部材は、前記ゲート電極と前記カソード電極の間に位置し、前記ゲート電極と前記絶縁部材のそれぞれに、互いに連通する開口が設けられており、前記電子放出材は、前記カソード電極上に設けられ、かつ、前記ゲート電極と前記絶縁部材の開口内に少なくとも一部が露出する電子放出素子の製造方法であって、前記ゲート電極に接する第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層よりも前記カソード電極側に位置する第２の絶縁層と、を含む３つ以上の絶縁層を積層することによって前記絶縁部材を形成する第１の工程と、前記第２の絶縁層の開口を、前記ゲート電極の開口より大きくする第２の工程と、を有することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明に係る電子源は、上記電子放出素子を複数備えることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明に係る画像表示装置は、上記電子源と、該電子源から放出された電子によって画像を形成する画像形成部材と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、電子ビームの集束性に優れ、リーク電流を抑制し、変形の起こりにくい構成を有する電子放出素子を提供することができる。
【００３０】
更に、そのような電子放出素子を利用した電子源、及び、該電子源を利用した、画質が良好で高精細な画像表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。また、カソード、ゲート、アノード電極に印加される電圧、駆動波形等の条件も特に特定的な記載がない限りはそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００３２】
図１〜３を参照して本発明の実施の形態に係る電子放出素子について説明する。
【００３３】
図１は本実施形態に係る電子放出素子の構成を示す模式図である。図１（ａ）は平面図
である。図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ´の断面図（ゲート電極に垂直であり、かつ、ゲート電極と絶縁部材の開口の中心を通るような平面における断面であり、以後、断面とはこのことを意味する）である。
【００３４】
図２は、図１に示す電子放出素子の駆動状態の詳細を示す図である。
【００３５】
図１、図２において、１は基板、２はカソード電極、４はゲート電極、５は電子放出材、６は絶縁部材である。ここで、ゲート電極４はカソード電極の上方に位置し、絶縁部材６は、ゲート電極４とカソード電極２の間に位置する。ゲート電極４と絶縁部材６のそれぞれには、互いに連通する開口が設けられており、電子放出材５はカソード電極上に設けられ、かつ、ゲート電極４と絶縁部材６の開口内に少なくとも一部が露出している。なお、ゲート電極４と絶縁部材６のそれぞれに設けられる開口は、互いに同心的に連通していることが好ましい。
【００３６】
絶縁部材６は、第１の絶縁層と第２の絶縁層とを含む３つ以上の絶縁層が積層されたものである。第１の絶縁層は、ゲート電極に接し、かつ、ゲート電極の開口と略同じ大きさの開口を有する絶縁層である。第２の絶縁層は、第１の絶縁層よりもカソード電極側に位置し、かつ、ゲート電極の開口より大きい開口を有する絶縁層である。図１の例では、絶縁部材６が３つの絶縁層（絶縁層６ａ〜６ｃ）から形成されており、ゲート電極４に接している絶縁層６ｃを第１の絶縁層とし、中間に位置する絶縁層６ｂを第２の絶縁層とする。
【００３７】
カソード電極２とゲート電極４間には駆動電圧Ｖｇが与えられる。
【００３８】
７は、電子放出素子の上方に距離Ｈだけ離れて配置されたアノード電極であり、アノード電圧Ｖａが与えられる。距離Ｈとは通常はカソード電極２の位置を基準とすればよい。
【００３９】
アノード電極７では電子が補足され、電子放出電流Ｉｅが検出される。
【００４０】
駆動電圧Ｖｇがかかると、カソード電極−ゲート電極間にゲート電流Ｉｇが流れる。Ｉｇは、ゲート電極４と絶縁部材６とのそれぞれに連通するように設けられた開口周辺（開口の側壁や絶縁部材内部）の導電パスを介して流れるものと、電子放出材５から真空に放出された電子がゲート電極４に再入射して流れるものとがある。いずれも、アノード電極７に到達しない電流であり、無効電流となる。
【００４１】
電子放出素子の効率は、駆動電圧Ｖｇを印加することにより流れる全ての電流（全電流）のうち、アノード電極に到達する電流（電子電流）をＩｅとし、アノード電極に到達しない電流（無効電流）をＩｇとすると、
電子放出効率＝電子電流／全電流＝Ｉｅ／（Ｉｇ＋Ｉｅ）
と定義できる。
【００４２】
すなわち、カソード電極−ゲート電極間のゲート電流Ｉｇが少ない程効率がよい。また、リーク電流がなく、ゲート電極に入射する電子がなければ、効率は１となり理想的である。
【００４３】
上述したように、ゲート電極４と絶縁部材６とのそれぞれは、互いに連通する開口を有している。開口の形状はどのようなものであってもよく、具体的には、円形、多角形、長方形などがある（なお、開口の形状が円形以外の場合には、ゲート電極４と絶縁部材６との開口が互いに同心的であり、かつ、形状の向きも互いにほぼ同じであることが好ましい。）。
【００４４】
開口の形状は、円形の場合、一般的に、開口径（直径）ｗ、開口深さｈで表される。
【００４５】
その他、開口径ｗとしては、多角形の場合は外接円の直径で、長方形の場合は短辺の長さで考えるのが一般的である（長方形の長辺の長さは開口幅として区別される）。
【００４６】
図２中の点線はこの電子放出素子を駆動させたときの等電位面を示したものである。駆動条件により等電位面の形状は異なるが、図２中の点線は本実施形態に係る電子放出素子を一般的な駆動条件で駆動させたときの等電位面である。
【００４７】
本実施形態に係る電子放出素子では、電子放出材５のすぐ上（ゲート電極側）の等電位面を、図２のように、断面図で（カソード電極側に）凹型の等電位面とすることで、集束性に優れた電子放出構造が作製できる。
【００４８】
一方、ゲート電極４の開口付近における等電位面は中央部で（ゲート電極側に）膨らんだ凸型となる。したがって、電子は、図２のように、ゲート電極の開口よりも外側に広がるように放出され、アノード電極に到達する。
【００４９】
このような等電位面を得るには、複数の方法がある。
【００５０】
一つは絶縁層の形状、絶縁層の誘電率を工夫する方法であり、図１に示す電子放出素子の構成はそれら両方を工夫した例である。換言すれば、図１に示す電子放出素子は、駆動時に図２に示すような等電位面を得るために、第２の絶縁層を備えている。図２に示すような等電位面にするためにどのように工夫すればよいのかについては後で詳しく説明する。
【００５１】
また、別の方法としては、電子放出材の露出領域（露出している領域）の端での電位を電子放出材の露出領域の中央での電位よりも高くするために、カソード電極の形状、構成を工夫する方法であり、これについても後述する。
【００５２】
本実施形態において有効な電子放出素子（集束性に優れた電子放出素子）とするためには、放出された電子をゲート電極４および絶縁部材６へ衝突しないようにする必要がある。電子がゲート電極に衝突すると、衝突した電子の一部が再放出され、電子軌道が異なった電子ビームとなり、アノード電極に到達する。そのような電子の到達量は少ないが、到達位置が、ゲート電極に衝突せずにアノード電極に到達した電子の到達位置に比べ、より外側の位置となる。即ち、集束性が劣化した電子放出素子となる。
【００５３】
アノード電極に到達する電子のビーム径は、放出される電子を総合したビーム径となり、図２のＰで表される径となる。
【００５４】
図３は、図１に示す本実施形態に係る電子放出素子の製造方法の一例を示す図である。
【００５５】
以下、図３を参照して、本実施形態に係る電子放出素子の製造方法の一例を説明する。
【００５６】
まず、図３（ａ）に示すように、基板１上にカソード電極２を積層する。基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不純物含有量を減少させたガラス、青板ガラス、シリコン基板、シリコン基板等にスパッタ法等によりＳｉＯ２を積層した積層体、アルミナ等セラミックスの絶縁性基板などを用いることができる。また、基板１の表面は、予め十分に洗浄されていることが望ましい。
【００５７】
カソード電極２は一般的に導電性を有しており、蒸着法、スパッタ法等の一般的な真空成膜技術、フォトリソグラフィー技術により形成される。カソード電極２の材料は、金属、合金、炭化物、硼化物、窒化物、半導体、有機高分子材料、アモルファスカーボン、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物等から適宜選択される。金属としては、例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等を用いればよく、合金もまたそれら金属を用いて生成されたものを用いればよい。炭化物としては、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣ等、硼化物としては、ＨｆＢ２，ＺｒＢ２，ＬａＢ６，ＣｅＢ６、ＹＢ４，ＧｄＢ４等、窒化物としては、ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ等、そして、半導体としては、Ｓｉ，Ｇｅ等を用いればよい。カソード電極２の厚さとしては、数十ｎｍから数ｍｍの範囲で設定され、好ましくは数百ｎｍから数μｍの範囲で選択される。
【００５８】
また、絶縁性シリコン基板の一部をドーピングして導電性としてカソード電極２としてもよい。カソード電極２は組成の違う多層構成にしてもよい。カソード電極２、その一部が高抵抗体で積層されていてもよい。
【００５９】
次に、カソード電極上に、電子放出材５を形成（積層）する（図３（ａ））。
【００６０】
電子放出材５は蒸着法、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等の一般的な成膜技術などで形成される。電子放出材５の材料は、低仕事関数の材料を選択するのが好ましい。例えば、アモルファスカーボン，グラファイト，ダイヤモンドライクカーボン，ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物等から適宜選択される。
【００６１】
電子放出材５の膜厚としては、数ｎｍから数百ｎｍの範囲で設定され、好ましくは数ｎｍから数十ｎｍの範囲で選択される。
【００６２】
電子放出材５は、カソード電極２と電気的に接続される必要があり、導電性を有していることが望ましい。例えば、絶縁性の材料であればドーピングによる導電性の付加などが必要である。また、電子放出材５自体が導電性であってもよい。
【００６３】
その後、絶縁部材６（絶縁層６ａ〜６ｃ）及びゲート電極４を順次堆積する（図３（ｂ））。
【００６４】
絶縁部材６は、スパッタ法等の一般的な真空成膜法、ＣＶＤ法、真空蒸着法で形成され、その厚さとしては、数ｎｍから数μｍの範囲で設定され、好ましくは数十ｎｍから数百ｎｍの範囲で選択される。
【００６５】
絶縁層を３つ以上積層したものを絶縁部材とすることにより、有効な効果（集束性に優れた電子ビーム）を得ることが可能となる。なお、本実施形態では、図３（ｂ）の工程に、第１の絶縁層よりもエッチングレートの高い材料で第２の絶縁層を形成する工程を含むものとする。エッチングレートの違いは、例えば、組成の違い（構成材、ドーピング量）や、製造手法の違い（密度、結合の違い）によってもたらされる。このように絶縁層を３層以上積層することによって（絶縁層６ａ〜６ｃを積層することによって）絶縁部材６を形成する工程が本発明において特徴的な第１の工程である。
【００６６】
２種類以上の絶縁層の組み合わせにおいて、組成の違いの例としては、ＳｉＯ２／ＳｉＮ、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３、その他ＳｉＯＮの組成違いなどがある。また、成膜手法による違いの例としては、プラズマＣＶＤ法によって成膜されたＳｉＯ２／スパッタ法によって成膜されたＳｉＯ２などがある。
【００６７】
ゲート電極４は、カソード電極２と同様に導電性を有しており、蒸着法、スパッタ法等の一般的な真空成膜技術、フォトリソグラフィー技術により形成される。ゲート電極４の材料は、金属、合金、炭化物、硼化物、窒化物、半導体、有機高分子材料等から適宜選択される。金属としては、例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等であり、合金もまたそれら金属を用いて生成される。炭化物としては、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣ等、硼化物としては、ＨｆＢ２，ＺｒＢ２，ＬａＢ６，ＣｅＢ６、ＹＢ４，ＧｄＢ４等、窒化物としては、ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ等、そして、半導体としては、Ｓｉ，Ｇｅ等を用いればよい。
【００６８】
次に、フォトリソグラフィー技術によりマスクパターン３１を形成する（図３（ｃ））。
【００６９】
そして、図３（ｄ）に示すように、マスクパターン３１を利用して、ゲート電極４と絶縁層６の一部を取り除く。これにより、ゲート電極と絶縁部材のそれぞれに、互いに連通する開口を設けることができる。なお、このように設けられたゲート電極と絶縁部材の開口の大きさ、形状、及び、（その形状の）向きは、互いに略等しくなる。これら開口の作製は、ゲート電極、絶縁層の材料、厚さにより、ドライエッチング法、ウエットエッチング法などが適宜選択される。また、場合により集束イオンビームエッチング、などの部分的な微細加工などを適宜選択してもよい。
【００７０】
次に、図３（ｅ）に示すように、マスクパターン３１を剥離する。
【００７１】
そして、図３（ｆ）に示すように、絶縁部材６の開口を所望の側壁構造にする。当該工程が本発明において特徴的な第２の工程である。具体的には、第２の絶縁層の開口をゲート電極の開口より大きくする。本実施形態では、当該工程を、ウエットエッチング法を用いて行う。当該工程をウエットエッチング法により行えば、ゲート電極４と絶縁部材６との開口が互いに同心的であり、かつ、形状の向きも互いにほぼ同じになる。
【００７２】
本実施形態において有効な絶縁層（集束性に優れ、長期間安定して駆動することのできる電子放出素子とするための絶縁層）の構造について説明する。
【００７３】
ゲート電極４に接する第１の絶縁層（絶縁層６ｃ）には、２つの役目がある。
【００７４】
ひとつはゲート電極４の支持体としての役目である。ゲート電極４は、開口に有効な電位を与えるために最低限の厚さを必要とする。一方、ゲート電極４の厚さを厚くしていくと、開口高さｈが大きくなり、電子放出効率が低くなる。すなわち、集束性と電子放出効率とを両立させるためには、ゲート電極４は適度な厚さがよい。しかしながら、そのような厚さでは、ゲート電極４の十分な機械的強度を得ることができない。そのため、第１の絶縁層（絶縁層６ｃ）の開口がゲート電極４の開口より大きい場合、開口内に形成される電界により、ゲート電極４に変形が生じる恐れがある。そこで、第１の絶縁層（絶縁層６ｃ）の開口を、ゲート電極４の開口と略同じ大きさにすることにより、そのような変形に強くすることができる。
【００７５】
もう一つは、プロセス時に起こるリーク電流を低減させる役目である。このようなリーク電流は開口作製時の側壁にエッチングによる残渣物（付着物）が付着することによって生じる。これを取り除くためには、側壁部分の表面をエッチングするのが効果的である。この工程を、ウエットエッチング法を用いて行う場合、ゲート電極にプロセス耐性がなければ、ゲート電極としての抵抗が増大したり、ゲート電極の密着性が低下したりしてしま
う。また、ゲート電極自体に耐性があっても、ゲート電極の一部にピンホールがあると、エッチング溶液がゲート電極のピンホール部より絶縁部材を侵食し、そこがリーク電流の起源となり、絶縁耐圧の低下につながる。ゲート電極に接する第１の絶縁層（絶縁層６ｃ）がエッチング耐性のある構造（エッチングに用いる液体に対して溶けにくい材料；エッチングレートの低い材料）であれば、ゲート電極上部からのエッチング溶液の侵食を防止でき、リーク電流の発生を抑制できる。
【００７６】
図３（ｆ）において第２の絶縁層（絶縁層ｂ）の開口をゲート電極の開口よりも大きくすることにも２つの役目がある。以下に、図３の例を用いて説明する。
【００７７】
ひとつは、第２の絶縁層よりカソード電極側の絶縁層（図３の例では最下層である絶縁層６ａ）との組み合わせによって集束性を向上させる役目を持つ。具体的には、開口の大きさを、
絶縁層６ａの開口 ＜ 絶縁層６ｂの開口
とすることで、電子ビームの集束性に優れた凹型の等電位面とすることができる。
【００７８】
もうひとつは、リーク電流の低減である。ゲート電極や絶縁部材の開口周辺の導電パスを介して流れるカソード電極−ゲート電極間のリーク電流を防ぐためには、絶縁部材の開口に付着した残渣物（付着物）を取り除けばよい。絶縁部材を多層にして、いずれかの層の付着物を取り除くことで、そのようなリーク電流を低減することができる。具体的には、図３（ｆ）に示す工程にウエットエッチング法を用いることにより、いずれかの絶縁層の表面を溶解し、付着物を取り除くことができる。また、このような構造にすることで絶縁部材の沿面距離が長くなるため、絶縁部材の絶縁耐圧も上がる。
【００７９】
以上のように、絶縁部材を多層にすることにより、集束性に優れ、長期間安定して駆動することのできる電子放出素子が構成可能となる。なお、このような絶縁部材を形成するためには、ウエットエッチング法を用いて所望の形状になるように、各層のエッチング耐性を考慮すればよい。具体的には、絶縁層６ｂには絶縁層６ａや絶縁層６ｃよりもエッチングレートの高い材料を用いればよい。
【００８０】
さらには、上述したような構成の電子放出素子は、積層を繰り返すだけの非常に単純な構成であるため、製造プロセスが容易であり、歩留まり良く製造できる。
【００８１】
図３の例において、上記第１の絶縁層と第２の絶縁層の役割を考慮すると、以下の方法で集束性に優れ、長期間安定して駆動することのできる電子放出素子の構造が決定できる。
【００８２】
まず、十分な集束性を得るための絶縁層６ａ（第３の絶縁層；第２の絶縁層よりカソード電極側の絶縁層）と絶縁層６ｂ（第２の絶縁層）の厚さｔ１、ｔ２を決める。
【００８３】
そして、絶縁層６ｂの開口径ｗ２を決める。絶縁層６ｂの後退距離（エッチング量）も集束性に影響するパラメータであり、その後退距離の大きさは、第１の絶縁層６ａが支持体としての十分な役割を保持できるならば、大きい方がよい。当該後退距離によって開口径ｗ２は変動する。
【００８４】
一方、絶縁層６ｃは集束性にあまり関連しないため、プロセス耐性を考慮し、材質と厚さを適宜決定する。
【００８５】
このようにして、図１に示すような電子放出素子が完成する。
【００８６】
ゲート電極の開口の大きさ（開口径ｗ）は、ビーム径の大きさを左右する因子であり、数μｍ程度であれば、開口径が小さい程ビーム径が小さくなる。好ましくは、数百ｎｍから数十μｍである。さらに好ましくは、１００ｎｍから３μｍである。
【００８７】
ゲート電極の開口が電子放出材の露出している領域（露出領域）よりも大きいこと、具体的には、電子放出材の設置位置から電子が放出される側に向かうにつれて開口が大きくなることもまた、集束性を左右する因子である。なお、各層のそれぞれの開口がそのような形状を有することも集束性を左右する。
【００８８】
全ての開口の大きさが等しい、すなわち、開口に傾斜がなく、基板に対して垂直な開口を傾斜角９０度（開口の外側からの角度）とすると、９０度付近の開口は作製しやすい。９０度以上の傾斜（逆テーパ構造）は、プロセスにおいて、側壁付着物が増えるなど、問題が起こりやすい。
【００８９】
そのため、製造プロセスで一般的な開口は、４５度以上９０度程度となる。傾斜している開口は、９０度の開口より、より優れた集束性を得ることができる。ただし、上述したように、優れた集束性を得るには、開口径を小さくすることが効果的である。開口の傾斜が大きい構造は、開口径ｗが大きい構造と等価であるため、電界がかかりにくく、集束性の劣った構造となる。従って、開口内に良好な電界分布をつけるためには、傾斜を６０度以上９０度以下とすることが好ましい。なお、本実施形態では、電子放出素子の断面において、ゲート電極の端と電子放出材の露出領域の端とを交差しないように結んだ仮想的な２つの直線（仮想直線）を考える。そして、それぞれ仮想直線の基板に対する開口の外側からの角度を開口の傾斜角度とする。
【００９０】
＜応用例＞
本実施形態に係る電子放出素子の応用例について以下に述べる。本実施形態に係る電子放出素子は、例えば、複数個を基体上に配列することにより電子源を構成することができる。そして、当該電子源を用いて画像表示装置を構成することができる。
【００９１】
電子放出素子の配列については、種々のものが採用される。一例として、電子放出素子をＸ方向及びＹ方向に行列状に複数配する。同じ行に配された複数の電子放出素子の電極の一方を、Ｘ方向の配線に共通に接続し、同じ列に配された複数の電子放出素子の電極の他方を、Ｙ方向の配線に共通に接続する。これを単純マトリクス配置という。以下単純マトリクス配置について詳述する。
【００９２】
図４、図５において、５１、６１は電子源基体、５２、６２はＸ方向配線、５３、６３はＹ方向配線である。６４は本実施形態の電子放出素子である。
【００９３】
Ｘ方向配線６２は、Ｄｘ１，Ｄｘ２，・・・Ｄｘｍのｍ本の配線からなり、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等を用いて形成された導電性金属等で構成することができる。配線の材料、膜厚、幅は、適宜設計される。Ｙ方向配線６３は、Ｄｙ１，Ｄｙ２，・・・Ｄｙｎのｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線６２と同様に形成される。これらｍ本のＸ方向配線６２とｎ本のＹ方向配線６３との間には、層間絶縁層（不図示）が設けられており、両者は電気的に分離されている（ｍ，ｎは、共に正の整数）。
【００９４】
層間絶縁層（不図示）は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等を用いて形成されたＳｉＯ２等で構成される。例えば、Ｘ方向配線６２を形成した電子源基体６１の全面或いは一部に所望の形状で形成される。特に、Ｘ方向配線６２とＹ方向配線６３の交差部の電位差に耐え得るように、膜厚、材料、製法が適宜設定される。Ｘ方向配線６２とＹ方向配線６３は、それぞれ外部端子として引き出されている。
【００９５】
電子放出素子６４を構成するｍ本のＸ方向配線６２は、カソード電極２を兼ねる場合があり、ｎ本のＹ方向配線６３は、ゲート電極４を兼ねる場合があり、層間絶縁層は絶縁部材６を兼ねる場合がある。
【００９６】
Ｘ方向配線６２には、不図示の走査信号印加手段が接続される。走査信号印加手段は、選択されたＸ方向配線に接続されている電子放出素子６４に走査信号を印加する。一方、Ｙ方向配線６３には、不図示の変調信号発生手段が接続される。変調信号発生手段は、電子放出素子６４の各列に、入力信号に応じて変調された変調信号を印加する。各電子放出素子に印加される駆動電圧は、それぞれ、電子放出素子に印加される走査信号と変調信号の差電圧として供給される。
【００９７】
このように、本実施形態に係る電子放出素子を複数備える電子源を作製することができる。上記構成においては、単純なマトリクス配線を用いて、電子放出素子を個別に選択し、独立に駆動可能とすることができる。上記電子源を用いて構成した画像表示装置について、図６を用いて説明する。図６は、画像表示装置の表示パネルの一例を示す模式図である。
【００９８】
図６において、７１は電子放出素子、８０は電子源基板、９１はリアプレート、９６はフェースプレート、９２は支持枠である。電子源基板８０には電子放出素子７１が複数配されており、リアプレート９１には電子源基板８０が固定されている。フェースプレート９６はガラス基体９３、蛍光膜９４、メタルバック９５等によって形成されている。蛍光膜９４、メタルバック９５はガラス基体９３の内側に設けられている。図６の例では、ガラス基体９３の内面（内側表面）に蛍光膜９４が設けられており、蛍光膜９４の内面にメタルバック９５が設けられている。支持枠９２には、リアプレート９１とフェースプレート９６がフリットガラスなどを用いて接続される。
【００９９】
外囲器（パネル）９８は、フェースプレート９６、支持枠９２、リアプレート９１で構成される。リアプレート９１は、主に電子源基板８０の強度を補強する目的で設けられるため、電子源基板８０自体が十分な強度を持つ場合には、別体のリアプレート９１は不要とすることができる。換言すれば、電子源基板８０とリアプレート９１は、一体構成の部材であっても構わない。
【０１００】
フェースプレート９６と、リアプレート９１と、支持枠９２とは、夫々の接合する面（接着面）にフリットガラスを塗布し、所定の位置で合わせ、固定し、加熱してフリットガラスを焼成することにより封着される。
【０１０１】
また、そのような加熱するための手段としては、赤外線ランプ等を用いたランプ加熱、ホットプレート等、種々のものが採用できるが、これらに限定されるものではない。
【０１０２】
また、外囲器を構成する複数の部材を加熱接着する接着材料は、フリットガラスに限るものではなく、封着工程後、十分な真空状態を保つことができる種々の接着材料を採用することができる。
【０１０３】
上述した外囲器は、本発明の一実施態様であり、限定されるものではなく、種々のものが採用できる。
【０１０４】
他の例として、電子源基板８０に直接支持枠９２を封着し、フェースプレート９６、支持枠９２及び電子源基板８０で外囲器９８を構成しても良い。また、フェースプレート９６、リアプレート９１間に、スペーサーとよばれる不図示の支持体を設置することにより
、大気圧に対して十分な強度をもつ外囲器９８を構成することもできる。
【０１０５】
また、図７にフェースプレート９６に形成された蛍光膜９４の模式図を示す。蛍光膜９４は、電子源から放出された電子によって画像を形成する画像形成部材である。蛍光膜９４は、モノクロームの場合は蛍光体８５のみから構成することができる。カラーの蛍光膜の場合は、ブラックストライプ（図７（ａ））、ブラックマトリクス（図７（ｂ））などと呼ばれる黒色導電材８６と蛍光体８５とから構成することができる。
【０１０６】
ブラックストライプ、ブラックマトリクスを設ける目的は２つある。１つ目は、カラー表示の場合、必要となる三原色蛍光体の各蛍光体８５間の塗り分け部を黒くすることで混色等を目立たなくすることである。そして２つ目は、蛍光膜９４における外光反射によるコントラストの低下を抑制することにある。ブラックストライプの材料としては、通常用いられている黒鉛を主成分とする材料の他、導電性があり、光の透過及び反射が少ない材料を用いることができる。
【０１０７】
ガラス基体９３に蛍光体を塗布する方法は、モノクローム、カラーによらず、沈澱法、印刷法等が採用できる。蛍光膜９４の内面側には、通常メタルバック９５が設けられる。メタルバックを設ける目的は３つあり、１つは、蛍光体の発光のうち内面側への光をフェースプレート９６側へ鏡面反射させることにより輝度を向上させることにある。そして、電子ビーム加速電圧を印加するための電極として作用させること、外囲器内で発生した負イオンの衝突によるダメージから蛍光膜９４を保護すること等も、メタルバックを設ける目的である。メタルバック９５は、蛍光膜作製後、蛍光膜の内面側表面の平滑化処理（通常、「フィルミング」と呼ばれる。）を行い、その後Ａｌを真空蒸着等を用いて堆積させることで作製できる。
【０１０８】
フェースプレート９６には、蛍光膜９４の導電性を高めるため、更に、蛍光膜９４の外面側に透明電極（不図示）を設けてもよい。
【０１０９】
本実施形態に係る画像表示装置において、電子放出素子７１が直上に電子ビームを放出するため、蛍光膜９４は電子放出素子７１の直上に配置される。
【０１１０】
次に、封着工程を施した外囲器（パネル）を真空封止するための真空封止工程について説明する。
【０１１１】
真空封止工程は、まず、外囲器（パネル）９８を加熱して、８０〜２５０℃に保持しながら、イオンポンプ、ソープションポンプなどの排気装置によりの排気管（不図示）を通じて排気する。そして、有機物質の十分に少ない雰囲気にした後、排気管をバーナーで熱して溶解させて封じ切る。外囲器９８の封止後の圧力を維持するために、ゲッター処理を行うこともできる。これは、外囲器９８の真空封止を行う直前あるいは封止後に、抵抗加熱あるいは高周波加熱等を用いた加熱により、外囲器９８内の所定の位置（不図示）に配置されたゲッターを加熱し、蒸着膜を形成する処理である。ゲッターは通常Ｂａ等が主成分であり、該蒸着膜の吸着作用により、外囲器９８内の雰囲気を維持するものである。
【０１１２】
以上の工程によって製造された単純マトリクス配置の電子源を用いて構成した画像表示装置は、各電子放出素子に、容器外端子Ｄｏｘ１〜Ｄｏｘｍ、Ｄｏｙ１〜Ｄｏｙｎを介して電圧を印加することにより、電子放出が生ずる。
【０１１３】
高圧端子９７を介してメタルバック９５、あるいは透明電極（不図示）に高圧を印加することで、電子ビームは加速する。
【０１１４】
加速された電子は、蛍光膜９４に衝突し、発光が生じて画像が形成される。
【０１１５】
図８はＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示を行うための駆動回路の一例を示すブロック図である。
【０１１６】
図１３の駆動回路について説明する。この回路は、内部にＭ個のスイッチング素子を備えたもので（図中，Ｓ１ないしＳｍで模式的に示している）ある。各スイッチング素子は、直流電圧源Ｖｘ１の出力電圧もしくは直流電圧源Ｖｘ２のいずれか一方を選択し、表示パネル１３０１の容器外端子Ｄｏｘ１ないしＤｏｘｍと電気的に接続される。Ｓ１乃至Ｓｍの各スイッチング素子は、制御回路１３０３が出力する制御信号Ｔｓｃａｎに基づいて動作するものであり、例えばＦＥＴのようなスイッチング素子を組み合せることにより構成することができる。直流電圧源Ｖｘ１は、電子放出素子の特性に基づき設定されている。
【０１１７】
制御回路１３０３は、外部より入力する画像信号に基づいて適切な表示が行なわれるように各部の動作を整合させる機能を有する。制御回路１３０３は、同期信号分離回路１３０６より送られる同期信号Ｔｓｙｎｃに基づいて、各部に対してＴｓｃａｎおよびＴｓｆｔおよびＴｍｒｙの各制御信号を発生する。
【０１１８】
同期信号分離回路１３０６は、外部から入力されるＮＴＳＣ方式のテレビ信号（ＮＴＳＣ信号）から同期信号成分と輝度信号成分とを分離する為の回路で、一般的な周波数分離（フィルター）回路等を用いて構成できる。同期信号分離回路１３０６によりＮＴＳＣ信号から分離された同期信号は、垂直同期信号と水平同期信号より成るが、ここでは説明の便宜上Ｔｓｙｎｃ信号として図示した。ＮＴＳＣ信号から分離された画像の輝度信号成分は便宜上ＤＡＴＡ信号と表した。該ＤＡＴＡ信号はシフトレジスタ１３０４に入力される。
【０１１９】
シフトレジスタ１３０４は、時系列的にシリアルに入力されるＤＡＴＡ信号を、画像の１ライン毎にシリアル／パラレル変換するためのもので、制御回路１３０３より送られる制御信号Ｔｓｆｔに基づいて変換する。即ち、制御信号Ｔｓｆｔは，シフトレジスタ１３０４のシフトクロックであるということもできる。シリアル／パラレル変換された画像１ライン分（電子放出素子Ｎ個分の駆動データに相当）のデータは、Ｉｄ１乃至ＩｄｎのＮ個の並列信号として出力され、ラインメモリ１３０５に入力される。
【０１２０】
ラインメモリ１３０５は、画像１ライン分のデータを必要時間の間だけ記憶する為の記憶装置であり、制御回路１３０３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに従って適宜Ｉｄ１乃至Ｉｄｎの内容を記憶する。記憶された内容は、Ｉｄ´１乃至Ｉｄ´ｎとして出力され、変調信号発生器１３０７に入力される。
【０１２１】
変調信号発生器１３０７は、画像データＩｄ´１乃至Ｉｄ´ｎの各々に応じて本実施形態の電子放出素子の各々を適切に駆動変調する為の変調信号の信号源である。変調信号発生器１３０７からの出力信号は、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを通じて表示パネル１３０１内の電子放出素子に印加される。
【０１２２】
本電子放出素子にパルス状の電圧を印加する場合、例えば、電子放出電圧以下の電圧を印加しても電子放出は生じないが、電子放出電圧以上の電圧を印加すると電子ビームが出力される。その際、パルスの波高値Ｖｍを変化させる事により出力電子ビームの強度を制御することが可能である。また、パルスの幅Ｐｗを変化させることにより出力される電子ビームの電荷の総量を制御する事が可能である。
【０１２３】
従って、入力信号に応じて、電子放出素子を変調する方式としては、電圧変調方式、パルス幅変調方式等が採用できる。電圧変調方式を実施するに際しては、変調信号発生器１３０７として、一定長さの電圧パルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜パルスの波高値を変調するような電圧変調方式の回路を用いることができる。
【０１２４】
パルス幅変調方式を実施するに際しては、変調信号発生器１３０７として、一定の波高値の電圧パルスを発生し、入力されるデータに応じて適宜電圧パルスの幅を変調するようなパルス幅変調方式の回路を用いることができる。
【０１２５】
シフトレジスタ１３０４やラインメモリ１３０５は、デジタル信号式あるいはアナログ信号式のものを採用できる。画像信号のシリアル／パラレル変換や記憶が所定の速度で行なわれれば良いからである。
【０１２６】
デジタル信号式を用いる場合には、同期信号分離回路１３０６の出力信号ＤＡＴＡをデジタル信号化する必要があるが、これには１３０６の出力部にＡ／Ｄ変換器を設ければ良い。これに関連してラインメモリ１３０５の出力信号がデジタル信号かアナログ信号かにより、変調信号発生器１３０７に用いられる回路が若干異なったものとなる。具体的には、デジタル信号を用いた電圧変調方式の場合、変調信号発生器１３０７には、例えばＤ／Ａ変換回路を用い、必要に応じて増幅回路などを付加する。パルス幅変調方式の場合、変調信号発生器１３０７には、例えば、高速の発振器、当該発振器の出力する波数を計数する計数器（カウンタ）、及び、計数器の出力値とラインメモリの出力値を比較する比較器（コンパレータ）を組み合せた回路を用いる。必要に応じて、比較器の出力するパルス幅変調された変調信号を、本実施形態における電子放出素子の駆動電圧にまで電圧増幅するための増幅器を付加することもできる。
【０１２７】
アナログ信号を用いた電圧変調方式の場合、変調信号発生器１３０７には、例えばオペアンプなどを用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシフト回路などを付加することもできる。パルス幅変調方式の場合には、例えば、電圧制御型発振回路（ＶＣＯ）を採用でき、必要に応じて本発明の電子放出素子の駆動電圧まで電圧増幅するための増幅器を付加することもできる。
【０１２８】
ここで述べた画像表示装置の構成は、本発明を適用可能な画像表示装置の一例であり、本発明の技術思想に基づいて種々の変形が可能である。入力信号については、ＮＴＳＣ方式を挙げたが入力信号はこれに限られるものではなく、ＰＡＬ，ＳＥＣＡＭ方式などの他、これよりも多数の走査線からなるＴＶ信号（例えば、ＭＵＳＥ方式をはじめとする高品位ＴＶ）方式をも採用できる。
【０１２９】
また表示装置の他、感光性ドラム等を用いて構成された光プリンターとしての画像形成装置等としても用いることができる。
【０１３０】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
【０１３１】
＜実施例１＞
図１のような電子放出素子を複数備える図４の電子源の製造方法の具体例を、本実施形態における第１実施例として説明する。
【０１３２】
（工程１）
まず、基板１としてＰＤ２００ガラスを用いた。十分洗浄を行った後、カソード電極２として厚さ８００ｎｍのＴａを形成した。
【０１３３】
（工程２）
次にプラズマＣＶＤ法でダイヤモンドライクカーボンの電子放出材５を所望の場所にマスク材を用いて厚さ３０ｎｍ程度堆積したあと、マスクを取り除いた。反応ガスとしてはＣＨ４ガスを用いた。
【０１３４】
（工程３）
さらに絶縁部材６として厚さ４００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ａ）、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２（第２の絶縁層；絶縁層６ｂ）、厚さ３００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（第１の絶縁層；絶縁層６ｃ）を、順に堆積した。
【０１３５】
また、比較例として、絶縁部材６が、厚さ１μｍのＳｉＯ２であるものも同時に作製した。
【０１３６】
さらに、ゲート電極４として厚さ１００ｎｍのＰｔを堆積した。
【０１３７】
（工程４）
さらに、フォトリソグラフィー法を利用してレジストのマスクパターン３１を形成した。本実施例では、レジスト材を硬化するためにレジスト材をＵＶキュアした。
【０１３８】
（工程５）
次に、マスクパターン３１をマスクとして、Ｐｔのゲート電極４をＡｒプラズマエッチングで除去し、さらに絶縁層６ａ〜６ｃを、ＣＦ４ガスを用いてそれぞれドライエッチングした。
【０１３９】
（工程６）
そして、マスクパターン３１を剥離し、十分な洗浄を行った。ここでカソード電極−ゲート電極間抵抗をテスタにより測定した。本実施例の電子放出素子、比較例の電子放出素子とも、プロセス残渣により、１００ｋΩの抵抗であった。
【０１４０】
（工程７）
次に、ＨＦ：ＮＨ３Ｆ＝１：１６のバッファードフッ酸でウエットエッチングを行った。本溶液に対して、ＳｉＯ２（絶縁層６ｂ）のエッチングレートは、５０ｎｍ／分であり、Ｓｉ３Ｎ４（絶縁層６ａ、絶縁層６ｃ）のエッチングレートよりも高く、ＳｉＯ２：Ｓｉ３Ｎ４＝１００：１以上であった。
【０１４１】
エッチング溶液の濃度とエッチング時間を制御することで、絶縁部材の側壁構造として様々な構造を作製することができる。本実施例の電子放出素子では、絶縁層６ｂのみがエッチングに用いた溶液に対して高いエッチングレートを有していたため、図３（ｆ）のように絶縁層６ｂの開口が、絶縁層６ａ及び絶縁層６ｃの開口よりも大きい構成となった。また、比較例の電子放出素子では、絶縁部材全体の開口が、ゲート電極の開口より大きくなった。
【０１４２】
本実施例の電子放出素子では、開口はほぼ垂直９０度に形成された。具体的には、ｗ＝３μｍ＝ｗ１＝ｗ３、ｗ２＝６μｍであった。
【０１４３】
ここで、本実施例の電子放出素子と比較例の電子放出素子を観察したが、両者ともゲート電極４の上部にエッチングなどの製造プロセスによる形態の変化がみられた。また、ゲート電極４の一部が、剥離されているものが比較例の電子放出素子では発生したが、本実施例の電子放出素子ではそのようなものはなかった。
【０１４４】
これは、（工程６）のエッチング溶液が、比較例の電子放出素子では、ゲート電極のピンホールから、その下の絶縁部材６のＳｉＯ２を侵食したため、ゲート電極の密着性が劣化し、剥離したものと考えられる。実施例１の電子放出素子では、ゲート電極４のピンホールの発生頻度は同じだが、第３の絶縁層６ｃのＳｉ３Ｎ４は侵食されず、ゲート電極の剥離は起こらなかった。
【０１４５】
さらに、これら電子放出素子のカソード電極−ゲート電極間抵抗を、テスタを用いて測定した。実施例１、比較例とも抵抗は１００ＭΩ以上であり、プロセス残渣による抵抗低下はなくなった。
【０１４６】
以上のようにして作製した実施例１の電子放出素子と比較例の電子放出素子とを、それぞれ、図２のように、Ｈ＝２ｍｍとして配置した。Ｖａ＝１０ｋＶ、Ｖｇ＝５０Ｖとした。
【０１４７】
ここで、アノード電極７として蛍光体を塗布した電極を用い、電子ビームのサイズを観察した。ここでいう電子ビームサイズとは、発光した蛍光体でのピーク輝度の１０％の領域までのサイズである。
【０１４８】
実施例１の電子放出素子の電子放出効率は、０．５〜０．９であり、比較例の電子放出素子では、０．１〜０．５であった。
【０１４９】
これは、比較例の電子放出素子では、電子放出材５の露出領域の一部が、ゲート電極４の直下に位置しており、ゲート電極直下の電界は強いため、当該位置から電子放出しやすくなっているためである。具体的には、ゲート電極４の直下から放出された電子が、ゲート電極４に入射するため、カソード電極−ゲート電極間に電流が流れる。そのため、無効電流が増加し、効率が低下したものと考えられる。本実施例の電子放出素子では、電子放出材５がゲート電極４の直下ではなく、ゲート電極の開口内に露出している。更に、本実施例の電子放出素子では、絶縁層６ａと絶縁層６ｂで形成された集束電位構造の効果により、ゲート電極に入射する電子はほとんど存在しないため、効率がよくなったと考えられる。
【０１５０】
実施例１の電子放出素子では、比較例の電子放出素子に比べビーム径は７５％であり、集束性に優れていた。また、比較例の電子放出素子のみ、輝度比は最大輝度の１％未満であるが、主要ビームの周辺に、ビームの広がりが観察された。
【０１５１】
これは、比較例の電子放出素子では、ゲート電極４に入射した電子の一部が、散乱により再放出され、アノード電極に到達したため、主要ビーム周辺に輝度の低いビームが観察されたものと考えられる。
【０１５２】
さらに、本実施例の電子放出素子と比較例の電子放出素子とを、１０時間駆動した。その結果、比較例の電子放出素子では、駆動直後には電子が出やすかったものの、その後劣化する電子放出素子が発生した。比較例の電子放出素子をとりだして観察したところ、ゲート電極が開口付近で開口内に屈曲して折れ曲がっているものがあった。
【０１５３】
さらに、１０時間駆動後にリーク電流の増加率と発生頻度を測定した。リーク電流が初期に比べ１０％以上増えたものの発生頻度は、実施例１の電子放出素子では、比較例の電子放出素子に比べ１／５に軽減されていた。
【０１５４】
＜実施例２＞
図９に第２実施例の電子放出素子を示す。本実施例は、開口に傾斜がある例（ゲート電
極の開口が電子放出材の露出領域よりも大きい場合の例）である。図９（ａ）は平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）におけるＡ−Ａ´の断面図である。図１０に本実施例の電子放出素子の製造方法を示す。
【０１５５】
（工程１）
まず、基板１としてＰＤ２００ガラスを用いた。十分洗浄を行った後、カソード電極２として厚さ８００ｎｍのＴａを形成した。
【０１５６】
（工程２）
次にプラズマＣＶＤ法でダイヤモンドライクカーボンの電子放出材５を所望の場所にマスク材を用いて厚さ３０ｎｍ程度堆積したあと、マスクを取り除いた。反応ガスはＣＨ４ガスを用いた（図１０（ａ））。
【０１５７】
（工程３）
そして、電位放出材上に、第２のカソード電極３として、厚さ１００ｎｍのＴａを積層した。さらに、第２のカソード電極上に、絶縁部材６として、厚さ３００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ａ）、厚さ５００ｎｍのＳｉＯ２（絶縁層６ｂ；第２の絶縁層）、厚さ２００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ｃ；第１の絶縁層）を、順に堆積した。さらに、ゲート電極４として厚さ１００ｎｍのＰｔを堆積した（図１０（ｂ））。第２のカソード電極３は、カソード電極２と電気的に接続されており、このような第２のカソード電極３を設けることにより集束性に優れた電子放出素子を作製することができる。
【０１５８】
（工程４）
さらにフォトリソグラフィー法を利用してレジストのマスクパターン３１を形成した（図１０（ｃ））。
【０１５９】
レジスト形状は矩形とした。実施例１では、レジスト材を硬化するためにＵＶキュアしたが、実施例２ではＵＶキュアをしなかった。
【０１６０】
（工程５）
マスクパターン３１をマスクとして、Ｐｔのゲート電極４をＡｒプラズマエッチングで除去した。さらに、絶縁層６ｃ、絶縁層６ｂ、絶縁層６ａ、第２のカソード電極３をＣＨＦ３もしくはＣＨＦ３＋Ｏ２ガスを用いてそれぞれドライエッチングした（図１０（ｄ））。
【０１６１】
酸素ガスを付加したことにより、開口に傾斜をつけた状態でエッチングを進行させることができた。
【０１６２】
（工程６）
マスクパターン３１を剥離し、十分な洗浄を行った（図１０（ｅ））。
【０１６３】
（工程７）
次に、ＨＦ：ＮＨ３Ｆ＝１：１６のバッファードフッ酸でウエットエッチングを行った。
【０１６４】
第１実施例より、エッチング時間を短くし、本実施例では、図１０（ｆ）のような構成の電子放出素子が作製できた。
【０１６５】
本実施例の電子放出素子では、開口の傾斜角θ１は７５度であった。また、ｗｂｏｔｔｏｍ＝３μｍ、ｗｔｏｐ＝３．６μｍであり、ｗ１＝３μｍ、ｗ２＝４μｍ、ｗ３＝３．
５μｍで、、ｈ＝１．２μｍ、ｈ１＝０．１、ｈ２＝１μｍ、ｈ３＝０．１μｍであった。また、ｔ１＝０．３μｍ、ｔ２＝０．５μｍ、ｔ３＝０．２μｍであった。
【０１６６】
本実施例では、集束性は３つの構成によりもたらされている。一つは、実施例１で示した、絶縁層６ａと絶縁層６ｂの形状であり、さらに、実施例２では、第２のカソード電極３を電子放出材の上面に配置したことと、開口の傾斜角でビームの集束性が高まっている。
【０１６７】
更に、実施例２では、集束性が第２のカソード電極の膜厚で制御できるため、絶縁層６ｂの後退量は、集束性を確保するためというより、むしろリーク電流の低減と支持体としての効果を両立できれば十分である。即ち、実施例１では、集束性を確保するために、絶縁層６ｂの後退量を大きくする必要があったが、実施例２では、実施例１より絶縁層６ｂの後退量が少なくても高い集束性の電子放出素子を作製できる。それにより、実施例１よりも高い安定性を有し、実施例１と同様の集束性を確保できる。
【０１６８】
＜実施例３＞
図１１に第３実施例の電子放出素子を示す。以下、本実施例の電子放出素子の製造方法について説明する。
【０１６９】
（工程１）
まず、基板１としてＰＤ２００を用いた。十分洗浄を行った後、カソード電極２として厚さ６５０ｎｍのＴｉＮを形成した。
【０１７０】
（工程２）
さらに絶縁部材６として厚さ１００ｎｍのＳｉＯＮ（絶縁層６ａ）、厚さ８００ｎｍのＳｉＯ２（絶縁層６ｂ；第２の絶縁層）、厚さ１００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ｃ；第１の絶縁層）を、順に堆積した。さらに、ゲート電極４として厚さ１００ｎｍのＰｔを堆積した。
【０１７１】
（工程３）
さらにフォトリソグラフィー法を利用してレジストのマスクパターン３１を形成した。
【０１７２】
（工程４）
マスクパターン３１をマスクとして、Ｐｔのゲート電極４をＡｒプラズマエッチングで、絶縁部材６をＣＨＦ３＋Ｏ２ガスで、ＴｉＮのカソード電極２を１５０ｎｍの深さまでＢＣｌ３ガスで、それぞれドライエッチングした。このとき、開口の傾斜角は８５度であった。
【０１７３】
（工程５）
次にホットフィラメントＣＶＤ法でダイヤモンドライクカーボンの電子放出材５を厚さ５０ｎｍ程度堆積した。反応ガスはＣＨ４ガスを用いた。基板には、バイアス電圧をかけるため、放出材の堆積は、マスク上とカソード電極２上に堆積した。
【０１７４】
（工程６）
次に、ゲート電極上の放出材をレジストマスクごと剥離して取り除いた。
【０１７５】
（工程７）
次に、バッファードフッ酸でウエットエッチングを行った。ここで、絶縁層６ｂが後退し、絶縁層６ａのＳｉＯＮもわずかに後退した。これは、エッチングレートがＳｉＯ２＞ＳｉＯＮ＞Ｓｉ３Ｎ４であるためである。またこの時、開口の側壁に付着していたドライ
エッチングの残渣物と、放出材の残渣物が、絶縁層６ａと絶縁層６ｂとともに取り除かれた。すなわち、この工程により、電子放出素子の断面において、絶縁部材が、ゲート電極の開口の端と電子放出材の露出領域の端とを結ぶ仮想的な直線（仮想直線）を２辺とする四角形よりも外側に位置するようになった。当該断面とは、ゲート電極に垂直であり、かつ、ゲート電極と絶縁部材の開口の中心を通るような平面における断面である。このような構成にすれば、沿面距離を更に増すことができるため、よりリーク電流を低減することができる。
【０１７６】
本実施例では、第２の実施例におけるカソード電極２と第２のカソード電極３が１つのカソード電極２で形成されている。すなわち、本実施形態においても、第２の実施例におけるカソード電極２と第２のカソード電極３を同電位となるように接続したのと同様の効果が得られる。
【０１７７】
本実施例では、電子放出材５を、開口の形成後に成膜することで、放出領域を開口内部に限定することができる。また、カソード電極と保護層を密着性のよい材料を選択し、素子構造を強固にすることができる。また、放出材を開口形成後に作製するため、開口製造時のプロセス劣化を考慮しなくてもよく、放出材の選択範囲が広がる。
【０１７８】
一方、放出材を開口形成後に形成する場合には、放出材が開口内に残りやすくリーク電流の発生要因となっていたが、本実施例のように、絶縁層の一部をエッチングにより取り除くことにより、電子放出材によるリーク電流も低減させることができる。
【０１７９】
＜実施例４＞
図１２に第４実施例の電子放出素子を示す。本実施例は、電子放出材の一部に保護絶縁層４１を有する構造である。ただし、この保護絶縁層４１は絶縁部材を形成する絶縁層には含まれないものとする。
【０１８０】
（工程１）
まず、基板１としてＰＤ２００を用いた。十分洗浄を行った後、カソード電極２として厚さ５００ｎｍのＴｉＮを形成した。
【０１８１】
（工程２）
次にプラズマＣＶＤ法でダイヤモンドライクカーボンの電子放出材５を所望の場所にマスク材を用いて厚さ３０ｎｍ程度堆積し、引き続きＳｉＯ２の保護絶縁層４１を厚さ５０ｎｍ積層し、その後マスクを取り除いた。
【０１８２】
（工程３）
さらに第２カソード電極３として、ＴｉＮを厚さ７０ｎｍ堆積した。さらに絶縁部材６として厚さ４００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ａ）、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２（絶縁層６ｂ；第２の絶縁層）、厚さ３００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ｃ；第１の絶縁層）を、順に堆積した。さらに、ゲート電極４として厚さ１００ｎｍのＴｉＮを堆積した。
【０１８３】
（工程４）
さらにフォトリソグラフィー法を利用してレジストのマスクパターン３１を形成した。
【０１８４】
（工程５）
マスクパターン３１をマスクとして、ＴｉＮのゲート電極４をＢＣｌ３ガスで、絶縁部材６をＣＦ４ガスで、ＴｉＮの第２カソード電極をＢＣｌ３ガスで、それぞれドライエッチングした。
【０１８５】
（工程６）
マスクパターン３１を剥離し、十分な洗浄を行った。
【０１８６】
（工程７）
次に、バッファードフッ酸でウエットエッチングを行った、これにより、保護絶縁層４１が取り除かれ、電子放出材が開口内に露出した。また、絶縁層６ｂが後退した。
【０１８７】
本実施例では、集束構造が、保護絶縁層と第２のカソード電極からなっている点が異なっているが、その他の効果は同じである。保護絶縁層４１を用いることで、プロセス中に電子放出材が露出することを防げるため、放出材の劣化を防ぐことが可能である。
【０１８８】
＜実施例５＞
図１３に第５実施例の電子放出素子を示す。
【０１８９】
本実施例の電子放出素子の製造方法は、図９で示した実施例２の電子放出素子のものと同じであるが、絶縁部材６の構成が違うものであり、５つの絶縁層から構成されている。即ち、第２の絶縁層を３つ備える。
【０１９０】
絶縁部材６としてＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ａ）、ＳｉＯＮ（絶縁層６ｂａ；第２の絶縁層）、ＳｉＯ２（絶縁層６ｂｂ；第２の絶縁層）、ＳｉＯＮ（絶縁層６ｂｃ；第２の絶縁層）、Ｓｉ３Ｎ４（絶縁層６ｃ；第１の絶縁層）を積層した。当該積層は、プラズマＣＶＤ法で、それぞれの絶縁層について、使用ガスと、パワーなどの成膜条件を変えることで行なった。ここで、絶縁層６ａの厚さを１００ｎｍ、絶縁層６ｂａの厚さを２００ｎｍ、絶縁層６ｂｂの厚さを４００ｎｍ、絶縁層６ｂｃの厚さを２００ｎｍ、絶縁層６ｃの厚さを１００ｎｍとした。
【０１９１】
本構成では、絶縁層の数を増やすことにより、より精度よく電界分布を定義することができる。
【０１９２】
＜実施例６＞
図１４に第６実施例の電子放出素子を示す。
【０１９３】
本実施例では、カソード電極３上に、交互に異なる絶縁層を複数積層している。
【０１９４】
絶縁部材６の構成（形成方法）について説明する。まず、最下層として厚さ２５０ｎｍのＡｌ２Ｏ３（絶縁層６ａ）を堆積した。そして、その上に厚さ７０ｎｍのＳｉＯ２（絶縁層６ｂａ；第２の絶縁層）と厚さ７０ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ｂｂ；第２の絶縁層）とを交互に３回繰り返し積層した。更に、厚さ７０ｎｍのＳｉＯ２（絶縁層６ｂａ；第２の絶縁層）、厚さ２５０ｎｍのＡｌ２Ｏ３（絶縁層６ｃ；第１の絶縁層）を積層することで絶縁部材６を形成した。各層はスパッタ法により順に堆積された。
【０１９５】
開口形成は、ドライエッチングにより行い、Ａｌ２Ｏ３のエッチングには、Ａｒプラズマエッチングを用いた。
【０１９６】
ウエットエッチングは、バッファードフッ酸を用いたが、Ａｌ２Ｏ３はエッチングされなかった。
【０１９７】
したがって、エッチング工程の条件変更で、図１４の電子放出素子が形成できる。
【０１９８】
本電子放出素子では、Ａｌ２Ｏ３絶縁層が組成として絶縁耐圧が高いため、第２実施例
の電子放出素子と比較してリーク電流の発生量が少なかった。また、本実施例では、カソード電極−ゲート電極間の沿面距離が大きくとれるため、絶縁層の耐圧を更に高くすることができ、長期間の駆動の安定性が向上した。
【０１９９】
＜実施例７＞
次に、実施例１と同じ構成で、絶縁部材の組成が逆の構成である例を示す。
【０２００】
絶縁部材６として厚さ４００ｎｍのＳｉＯ２（絶縁層６ａ）、厚さ３００ｎｍのＳｉ３Ｎ４（絶縁層６ｂ；第２の絶縁層）、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２（絶縁層６ｃ；第１の絶縁層）を、順に堆積した
【０２０１】
開口の形成は、ＣＦ４のドライエッチングで行った。
【０２０２】
ウエットエッチングは、熱燐酸を用いた。これによりＳｉ３Ｎ４がエッチングされ、ＳｉＯ２はエッチングされなかった。
【０２０３】
本実施例のように、絶縁層の構成は、エッチング溶液を変更することで、その構成を変えることができる。ＳｉＯ２とＳｉ３Ｎ４の順序を第１実施例と反対にすると、両者の誘電率の違いが電位分布に影響を与えるが、本実施例では、第２の絶縁層６ｂが後退しているという形状の効果の方が大きく、等電位面がカソード電極付近で凹となる集束電位の効果は維持できる。また、このようにエッチング溶液を変更すれば、ゲート電極直下の絶縁層を変えることができるので、ゲート電極の材料として、より密着性のよい材質を選択することも可能となる。
【０２０４】
以上説明したように、本実施形態に係る電子放出素子は、電子ビーム径が小さく駆動の安定した電子放出素子であり、このような電子放出素子を電子源や画像表示装置に適用すると、性能に優れた電子源及び画像表示装置を実現できる。
【０２０５】
なお、本実施形態では絶縁部材を形成する３つの絶縁層それぞれの開口の大きさについて詳しく説明しているが、当然、３つの絶縁層それぞれの誘電率を工夫することと組み合せれば、更に電子ビーム径を小さくすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２０６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の構成を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ´の断面図である。
【図２】図２は、図１に示す電子放出素子の駆動状態の詳細を示す図である。
【図３】図３は、図１に示す電子放出素子の製造方法の一例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る電子源の一例を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る電子源の一例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る画像表示装置の一例を示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る画像表示装置における蛍光膜の模式図であり、図７（ａ）はブラックストライプを設けた例であり、図７（ｂ）はブラックマトリクスを設けた例である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る画像表示装置の駆動回路の一例を示すブロック図である。
【図９】図９は、第２実施例の電子放出素子を示す図である。
【図１０】図１０は、第２実施例の電子放出素子の製造方法を示す図である。
【図１１】図１１は、第３実施例の電子放出素子を示す図である。
【図１２】図１２は、第４実施例の電子放出素子を示す図である。
【図１３】図１３は、第５実施例の電子放出素子を示す図である。
【図１４】図１４は、第６実施例の電子放出素子を示す図である。
【図１５】図１５は、従来の電子放出素子を模式的に示した図である。
【図１６】図１６は、従来の電子放出素子を模式的に示した図である。
【図１７】図１７は、従来の電子放出素子を模式的に示した図である。
【図１８】図１８は、従来の電子放出素子を模式的に示した図である。
【図１９】図１９は、従来の電子放出素子を模式的に示した図である。
【図２０】図２０は、従来の電子放出素子を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【０２０７】
１ 基板
２ カソード電極
３ 第２のカソード電極
４ ゲート電極
５ 電子放出材
６ 絶縁部材
６ａ 第１の絶縁層
６ｂ，６ｂａ〜６ｂｃ 第２の絶縁層
６ｃ 第３の絶縁層
７ アノード電極
３１ マスクパターン
４１ 保護絶縁層
５１，６１ 電子源基体
５２，６２ Ｘ方向配線
５３，６３ Ｙ方向配線
６４ 電子放出素子
７１ 電子放出素子
８０ 電子源基板
８５ 蛍光体
８６ 黒色導電材
９１ リアプレート
９２ 支持枠
９３ ガラス基体
９４ 蛍光膜
９５ メタルバック
９６ フェースプレート
９７ 高圧端子
９８ 外囲器
１３０１ 表示パネル
１３０３ 制御回路
１３０４ シフトレジスタ
１３０５ ラインメモリ
１３０６ 同期信号分離回路
１３０７ 変調信号発生器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極、ゲート電極、絶縁部材、及び、電子放出材を備え、
前記ゲート電極は、前記カソード電極の上方に位置し、
前記絶縁部材は、前記ゲート電極と前記カソード電極の間に位置し、
前記ゲート電極と前記絶縁部材のそれぞれに、互いに連通する開口が設けられており、
前記電子放出材は、前記カソード電極上に設けられ、かつ、前記ゲート電極と前記絶縁部材の開口内に少なくとも一部が露出する
電子放出素子であって、
前記絶縁部材は、
前記ゲート電極に接し、かつ、前記ゲート電極の開口と略同じ大きさの開口を有する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層よりも前記カソード電極側に位置し、かつ、前記ゲート電極の開口より大きい開口を有する第２の絶縁層と、
を含む３つ以上の絶縁層が積層されたものである
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記第２の絶縁層は、前記３つ以上の絶縁層のうち中間に位置する絶縁層である
ことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記ゲート電極に垂直であり、かつ、前記ゲート電極と前記絶縁部材の開口の中心を通るような平面における断面において、
前記絶縁部材は、前記ゲート電極の開口の端と前記電子放出材の露出領域の端とを結ぶ仮想直線を２辺とする四角形よりも外側に位置する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記ゲート電極の開口は、前記電子放出材の露出領域よりも大きい
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素子。
【請求項５】
前記電子放出材と前記絶縁部材の間に、前記カソード電極と電気的に接続された第２のカソード電極を備える
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電子放出素子。
【請求項６】
前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層よりもエッチングレートの高い材料からなる
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電子放出素子。
【請求項７】
カソード電極、ゲート電極、絶縁部材、及び、電子放出材を備え、
前記ゲート電極は、前記カソード電極の上方に位置し、
前記絶縁部材は、前記ゲート電極と前記カソード電極の間に位置し、
前記ゲート電極と前記絶縁部材のそれぞれに、互いに連通する開口が設けられており、
前記電子放出材は、前記カソード電極上に設けられ、かつ、前記ゲート電極と前記絶縁部材の開口内に少なくとも一部が露出する
電子放出素子の製造方法であって、
前記ゲート電極に接する第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層よりも前記カソード電極側に位置する第２の絶縁層と、を含む３つ以上の絶縁層を積層することによって前記絶縁部材を形成する第１の工程と、
前記第２の絶縁層の開口を、前記ゲート電極の開口より大きくする第２の工程と、
を有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項８】
前記第１の工程は、前記第１の絶縁層よりもエッチングレートの高い材料で前記第２の
絶縁層を形成する工程を含み、
前記第２の工程は、前記複数の絶縁層をウエットエッチングする工程である
ことを特徴とする請求項７に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれかに記載の電子放出素子を複数備える
ことを特徴とする電子源。
【請求項１０】
請求項９に記載の電子源と、
前記電子源から放出された電子によって画像を形成する画像形成部材と、
を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１】
カソード電極、ゲート電極、絶縁部材、及び、電子放出材を備え、
前記ゲート電極は、前記カソード電極の上方に位置し、
前記絶縁部材は、前記ゲート電極と前記カソード電極の間に位置し、
前記ゲート電極と前記絶縁部材のそれぞれに、互いに連通する開口が設けられており、
前記電子放出材は、前記カソード電極上に設けられ、かつ、前記ゲート電極と前記絶縁部材の開口内に少なくとも一部が露出する
電子放出素子であって、
前記絶縁部材は、
前記ゲート電極に接し、かつ、前記ゲート電極の開口と略同じ大きさの開口を有する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層よりも前記カソード電極側に位置し、かつ、前記ゲート電極の開口より大きい開口を有する第２の絶縁層と、
を含む３つ以上の絶縁層が積層されたものである
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記第２の絶縁層は、前記３つ以上の絶縁層のうち中間に位置する絶縁層である
ことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記ゲート電極に垂直であり、かつ、前記ゲート電極と前記絶縁部材の開口の中心を通るような平面における断面において、
前記絶縁部材は、前記ゲート電極の開口の端と前記電子放出材の露出領域の端とを結ぶ仮想直線を２辺とする四角形よりも外側に位置する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記ゲート電極の開口は、前記電子放出材の露出領域よりも大きい
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素子。
【請求項５】
前記電子放出材と前記絶縁部材の間に、前記カソード電極と電気的に接続された第２のカソード電極を備える
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電子放出素子。
【請求項６】
前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層よりもエッチングレートの高い材料からなる
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電子放出素子。
【請求項７】
カソード電極、ゲート電極、絶縁部材、及び、電子放出材を備え、
前記ゲート電極は、前記カソード電極の上方に位置し、
前記絶縁部材は、前記ゲート電極と前記カソード電極の間に位置し、
前記ゲート電極と前記絶縁部材のそれぞれに、互いに連通する開口が設けられており、
前記電子放出材は、前記カソード電極上に設けられ、かつ、前記ゲート電極と前記絶縁部材の開口内に少なくとも一部が露出する
電子放出素子の製造方法であって、
前記ゲート電極に接する第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層よりも前記カソード電極側に位置する第２の絶縁層と、を含む３つ以上の絶縁層を積層することによって前記絶縁部材を形成する第１の工程と、
前記第２の絶縁層の開口を、前記ゲート電極の開口より大きくする第２の工程と、
を有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項８】
前記第１の工程は、前記第１の絶縁層よりもエッチングレートの高い材料で前記第２の
絶縁層を形成する工程を含み、
前記第２の工程は、前記複数の絶縁層をウエットエッチングする工程である
ことを特徴とする請求項７に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれかに記載の電子放出素子を複数備える
ことを特徴とする電子源。
【請求項１０】
請求項９に記載の電子源と、
前記電子源から放出された電子によって画像を形成する画像形成部材と、
を備えることを特徴とする画像表示装置。
【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】
【公開番号】特開２００９−１１０７５５（Ｐ２００９−１１０７５５Ａ）
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８０２０１（Ｐ２００７−２８０２０１）
【出願日】平成１９年１０月２９日（２００７．１０．２９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２９日（２００７．１０．２９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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