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】電子放出特性が良好で、電子放出点密度が大きく、かつ、電子放出量のゆらぎの小さい電子放出可能な電子放出素子、電子源、画像表示装置、及び、それらの簡易な製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る電子放出素子の製造方法は、導電層上に電子放出材料を含む膜を形成する工程と、前記電子放出材料を含む膜が形成された導電層を水素および炭化水素のラジカルを含む雰囲気中で加熱する工程と、を有する電子放出素子の製造方法であって、前記雰囲気における前記水素および炭化水素のラジカルの総分圧が２×１０−１１Ｐａ以上、８×１０−４Ｐａ以下であることを特徴とする。
【解決手段】本発明に係る電子放出素子の製造方法は、導電層上に電子放出材料を含む膜を形成する工程と、前記電子放出材料を含む膜が形成された導電層を水素および炭化水素のラジカルを含む雰囲気中で加熱する工程と、を有する電子放出素子の製造方法であって、前記雰囲気における前記水素および炭化水素のラジカルの総分圧が２×１０−１１Ｐａ以上、８×１０−４Ｐａ以下であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出素子の製造方法および、該電子放出素子、該電子放出素子を配置してなる電子源、該電子源を用いて構成した画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子放出素子には、電界放出型（以下、「ＦＥ型」と称する）電子放出素子や、表面伝導型電子放出素子がある。
【０００３】
ＦＥ型電子放出素子には、電子ビームの広がりが少ない電子放出素子の例として、平坦な電子放出膜上に、開口（いわゆる「ゲートホール」）を有するゲート電極を備えた電子放出素子がある（特許文献１〜３）。このような平坦な電子放出膜を有する電子放出素子では、電子放出膜表面に比較的平坦な等電位面が形成されるため、電子ビームの広がりを小さくすることができる。
【０００４】
そして、このような電子放出膜の電子放出特性を向上させる手段として、例えば、ダイヤモンドを用いた電子放出膜の表面を水素で終端する方法などが提案されている（特許文献４）。具体的には、水素ガスのＥＣＲ放電プラズマにダイヤモンド表面を晒すことで、ダイヤモンド表面を水素で終端する。その結果、電子放出膜の電子親和力が負になるので、電子放出のための閾電界（電子放出を行うために最低限必要な電界強度；電子放出を行うために電子放出素子に最低限印加される電圧）が小さくなり、電子放出特性が向上する。
【０００５】
また、特許文献５のようにダイヤモンド表面のある部分にのみ水素終端を施すことで目的の電子放出素子を形成する方法なども提案されている。
【特許文献１】特開２００４−０７１５３６号公報
【特許文献２】特開平８−０５５５６４号公報
【特許文献３】特開２００５−２６２０９号公報
【特許文献４】特開平１０−２８３９１４号公報
【特許文献５】特開２００６−１３４７２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した水素終端処理により電子放出膜の電子放出特性を向上させる手段としては、炭化水素ガスや水素ガス中に電子放出膜を配置し、加熱する熱ＣＶＤ法や、特許文献４、５のようにプラズマを用いる方法が一般的である。しかし、これら従来の手法では、電子放出膜の表面の一部に水素終端処理されない箇所が生じる場合がある。そのような箇所が生じると、電子放出点密度が小さくなり、駆動時の電子放出量のゆらぎが大きくなってしまう場合がある。
【０００７】
また、熱ＣＶＤ法においては、水素終端処理の効率を上げるために非常に高い加熱温度が必要な場合がある。この場合、当該加熱によって電子放出膜が損傷し、水素終端処理によって逆に電子放出特性を下げてしまう場合がある。
【０００８】
また、非常に高い加熱温度は、作製コストを引き上げることにつながり、作製プロセスとして好ましくない。
【０００９】
そこで、本発明は、電子放出特性が良好で、電子放出点密度が大きく、かつ、電子放出
量のゆらぎの小さい電子放出可能な電子放出素子、電子源、画像表示装置、及び、それらの簡易な製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために成された本発明の構成は、以下のとおりである。
【００１１】
本発明に係る電子放出素子の製造方法は、導電層上に電子放出材料を含む膜を形成する工程と、前記電子放出材料を含む膜が形成された導電層を水素および炭化水素のラジカルを含む雰囲気中で加熱する工程と、を有する電子放出素子の製造方法であって、前記雰囲気における前記水素および炭化水素のラジカルの総分圧が２×１０−１１Ｐａ以上、８×１０−４Ｐａ以下であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る電子放出素子は、上記電子放出素子の製造方法で製造されたことを特徴とする。
【００１３】
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。
【００１４】
また、本発明に係る画像表示装置は、上記電子源と、電子の照射によって発光する発光部材と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電子放出特性が良好で、電子放出点密度が大きく、かつ、電子放出量のゆらぎの小さい電子放出可能な電子放出素子、電子源、画像表示装置、及び、それらの簡易な製造方法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】
【００１６】
以下、図面を用いて、本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但し、下記の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは、特に記載のない限りは、この発明の範囲をそれらに限定する趣旨のものではない。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る電子放出素子の作製方法の流れを示す図である。図２は、本実施形態に係る電子放出素子の最も基本的な構成の一例を示す断面模式図である。図２に示すように、本実施形態に係る電子放出素子は、基体１上に配置されており、少なくとも、導電層２と、導電層２上に位置する電子放出材料を含む膜（以後、電子放出膜３とする）と、電子放出膜３の表面に終端された水素と、を備える。なお、導電層２を、「カソード電極」あるいは「電極」と呼ぶ場合もある。
【００１８】
以下、図１，２を用いて本実施形態に係る電子放出素子の製造方法について説明する。
【００１９】
（工程Ａ）
まず、表面が十分に洗浄された基体１上に、導電層２を設ける。基体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、シリコン基板などにスパッタ法等により酸化シリコン（典型的には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。
【００２０】
導電層２は、導電性を有する材料で構成され、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。導電層２の材料は、例えば、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，Ｎ
ｂ，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。導電層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。
【００２１】
次に、導電層上に電子放出膜３を形成する。電子放出膜３は、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法等の成膜技術を用いて形成することができるが、それらの製造方法に限定されるものではない。電子放出膜３は、主成分として炭素のような絶縁体であることが好ましい。電子放出膜３の膜厚は、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。
【００２２】
（工程Ｂ）
そして、電子放出膜３が形成された導電層２（勿論、基体１も含む）を水素および炭化水素のラジカルを含む雰囲気中で加熱する。これにより、電子放出膜３の表面が水素で終端される。このとき、当該加熱雰囲気における水素と炭化水素のラジカルの総分圧は、２×１０−１１Ｐａ以上、８×１０−４Ｐａ以下の範囲にあることが好ましい。
【００２３】
電子放出膜の表面をどの程度水素で終端することができたかで、電子放出点密度が決まる。電子放出点密度が小さいと電子放出特性を悪くし、電子放出量のゆらぎを大きくしてしまう。上記加熱雰囲気中における水素と炭化水素のラジカルの総分圧が２×１０−１１Ｐａよりも小さい場合、電子放出膜の表面の水素での終端が不十分になり、電子放出点密度が小さく、電子放出量のゆらぎも大きくなってしまう。一方、上記加熱雰囲気中における水素と炭化水素のラジカルの総分圧が８×１０−４Ｐａより大きいと、電子放出膜表面に水素を含んだ炭素膜が堆積してしまったり、終端された水素が逆に引き抜かれたりしてしまう。その結果、電子放出膜表面において水素で終端されていない箇所が増えることになり、電子放出密度が小さくなってしまう。すなわち、そのような条件の下（水素と炭化水素のラジカルの総分圧が２×１０−１１Ｐａよりも小さい場合や８×１０−４Ｐａより大きい場合）では、良好な電子放出特性を有する電子放出膜は得られない。
【００２４】
また、水素と炭化水素のラジカルとしては、Ｈ、ＣＨ、ＣＨ２、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ３、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ５などが好ましいが、特にこれらに限定されるものではない。
加熱の方法は、焼成炉の中に導電層２と電子放出膜３を備える基体１を配置し、ヒーターもしくはランプなどで基体全体を加熱してもよいし、またはレーザーなどで目的の場所のみを加熱するという方法でもよい。
【００２５】
＜変形例１＞
本発明の実施形態に係る電子放出素子は、図３（ａ）、（ｂ）に模式的に示す３極構造の形態であっても良い。図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のｂ−ｂ’における断面図である。上記３極構造の形態とは、図３に示すように、図２に示した電子放出膜３の上に、絶縁層４とゲート電極５とを備える形態である。但し、絶縁層４とゲート電極５には連通する（貫通する）開口２１が設けられており、当該開口２１内に電子放出膜３の一部が露出している。この形態の電子放出素子では、導電層２の電位よりも高い電位をゲート電極５に印加することで、電子放出膜３から電子を放出する。従って、ゲート電極５が、電子放出膜３から電子を放出（電界放出）させるために必要な電界を生成する。そのため、ゲート電極５は「引出し電極」とも呼ばれる。開口２１は、図３の例では円形であるが、矩形や多角形状であっても構わない。
【００２６】
図３（ａ）、（ｂ）に模式的に示す３極構造の形態の製造方法の一例を図９を用いて説明する。ただし、以下に示す製造方法は、一例であり、本変形例に係る電子放出素子の製造方法を以下に示す方法に限定する趣旨のものではない。特に、構造の違いによる堆積順序、エッチング方法に関しては限定されず、実施例においても別途説明する。
【００２７】
（工程ａ）
上述の工程Ａを経た電子放出膜３上に絶縁層４を堆積する。絶縁層４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の範囲から選択される。望ましい材料としてはＳｉＯ２，ＳｉＮ，Ａｌ２Ｏ３，ＣａＦ，アンドープダイヤモンドなどの高電界に絶えられる（耐圧性の高い）材料が望ましい。
【００２８】
（工程ｂ）
次に、絶縁層４上にゲート電極５を堆積する。ゲート電極５は、導電層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５の材料は、例えば、金属、合金、炭化物、硼化物、窒化物、半導体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。ゲート電極５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ｎｍから数百ｎｍの範囲で選択される。なお、ゲート電極５と導電層２は、同一材料でも異種材料でも良く、また、同一形成方法でも異種方法でも良い。
【００２９】
そして、ゲート電極５上に、フォトリソグラフィー技術などにより上記ゲート電極５と絶縁層４とを貫通する開口２１を形成するためのパターン（開口）を有するマスク（不図示）を形成する。
【００３０】
（工程ｃ）
次に、上記マスクを利用したエッチング工程を行い、ゲート電極５と絶縁層４を貫通し、電子放出膜３上面にまでおよぶ開口２１を形成する。その後、マスクパターンを除去する。
【００３１】
なお、エッチングの手法はどのような手法を用いてもよい。開口２１の平面形状は、円形に限られるものではない。エッチングの手法は、例えば、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を適宜選択してもよい。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。開口２１の平面形状は、上述したように、矩形や多角形状など、どのような形状であってもよい。
【００３２】
（工程ｄ）
次に、上述の工程Ｂのように、工程ｃ後の基体１（導電層２、電子放出膜３、及び、開口２１を有する絶縁層とゲート電極５、を備える基体１）を水素と炭化水素の中性ラジカル雰囲気中に設置し、当該基体１を加熱する。これにより電子放出膜３の表面が水素で終端される。
【００３３】
以上のようにして、図３に示す構成を形成することができる。次に図２や図３に示す電子放出素子の駆動方法について説明する。
【００３４】
本発明の実施形態に係る電子放出素子を用いた電子放出装置（画像表示装置も含む）では、例えば図５に示すように、一般にはトライオード構造（導電層２、ゲート電極５、アノード電極６を備える構造）を採用する。勿論、ゲート電極５を用いずに、図２に示した電子放出素子に対向する様に、アノード電極６を配置してダイオード構造の電子放出装置を構成する事も可能である。
【００３５】
図５では、図３に示す電子放出素子が配置された基体１の表面と実質的に平行になるように、第３の電極であるアノード電極６を配置している。アノード電極６には、導電層２とゲート電極５の間の電位よりも高い電位が印加される。典型的には、ゲート電極５に導電層２の電位よりも高い電位が印加され、そして、ゲート電極５の電位よりも十分に高い電位がアノード電極６に印加される。駆動時には、ゲート電極５に、導電層２の電位よりも高い電位を印加することで、電子放出膜３から電子が放出される。放出された電子は、開口２１を通り抜けた後、アノード電極６の電位によってアノード電極６に引き寄せられ、アノード電極６に衝突する。
【００３６】
＜変形例２＞
また、本発明の電子放出素子は、図４（ａ）〜（ｃ）に模式的に示す形態であっても良い。図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のｂ−ｂ’における断面図の一例である。図４（ｃ）も、図４（ａ）のｂ−ｂ’における断面図の一例である。
【００３７】
図３に示した形態では、１つの電子放出素子に、１つの開口２１を備えた形態を示した。本発明の実施形態に係る電子放出素子は、図４（ａ）に示す様に、１つの電子放出素子に、複数の開口２１を備える形態であっても良い。更に、図４（ｃ）に示すように、電子放出膜３が開口２１内のみに配置された形態であってもよい。なお、図４と図３では、同じ部材には同じ符号を用いている。
【００３８】
＜応用例＞
次に、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。
【００３９】
本実施形態に係る電子放出素子を同一の基体表面上に複数配列することによって、例えば、電子源や画像表示装置を構成することができる。
【００４０】
（電子源）
図６を用いて、本実施形態に係る電子放出素子を複数備える電子源について説明する。図６において、１は基体（図２，３における基体１と同じものである）、４２はＸ方向配線、４３はＹ方向配線、４４は本実施形態に係る電子放出素子である。
【００４１】
Ｘ方向配線４２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材料（典型的には金属）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４３は、Ｄｙ１、Ｄｙ２、・・・Ｄｙｎのｎ本の配線からなり、Ｘ方向配線４２と同様に形成される。これらｍ本のＸ方向配線４２とｎ本のＹ方向配線４３との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者は電気的に分離されている。ここで、ｍ及びｎは共に正の整数である。不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等を用いて形成された酸化シリコン等で構成される。
【００４２】
電子放出素子４４を構成する、第１の電極（カソ―ド電極；導電層２）はｍ本のＸ方向配線４２のうちの一つに接続され、第２の電極（ゲート電極５）はｎ本のＹ方向配線４３のうちの一つに電気的に接続される。
【００４３】
Ｘ方向配線４２、Ｙ方向配線４３、第１の電極、及び、第２の電極を構成する材料（構成元素）は、その一部或いは全部が同一であっても、またそれぞれ異なっていても良い。第１の電極及び第２の電極を構成する材料とそれぞれの配線材料が同一である場合には、Ｘ方向配線４２、Ｙ方向配線４３は、それぞれ第１の電極或いは第２の電極ということもできる。
【００４４】
Ｘ方向配線４２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４４に走査信号を印加する。一方、Ｙ方向配線４３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４４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、当該素子に印加される走査信号と変調信号の差電圧として定義される。
【００４５】
（画像表示装置）
上記構成の電子源を用いれば、個別の電子放出素子を選択し、独立に駆動可能とすることができる。このような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について、図７を用いて説明する。図７は、画像表示装置を構成する表示パネル５８の一例を示す模式図である。
【００４６】
図７において、５１は電子源を備える基体（図６の基体１と同じものであり、「リアプレート」と呼ぶ場合もある）である。５６は、透明なガラス基体５３と、その内面に配置された蛍光体などの電子線の照射によって発光する発光部材からなる発光体膜５４と、アノード電極としての導電性膜（メタルバックと呼ぶ場合もある）５５とが設けられたフェースプレートである。５２は支持枠であり、支持枠５２には、リアプレート５１、フェースプレート５６がフリットガラス等の接着剤を用いて接続（封着）されている。５７は外囲器（気密容器）であり、フェースプレートとリアプレートと支持枠とを封着することで構成されている。フェースプレート５６とリアプレート５１との間に、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５７を構成することもできる。なお、本実施形態では図６の基体１と図９のリアプレート５１を同じものとしているが、図６の基体１を他の基体に固定し、当該他の基体を外囲器５７の一部としてもよい。その場合には、当該他の基体をリアプレートと呼ぶ。
【００４７】
また、図７を用いて説明した本実施形態の表示パネル５８を用いて情報表示再生装置を構成することができる。
【００４８】
具体的には、受信装置と、受信した信号を選曲するチューナーと、選曲した信号に含まれる信号を、表示パネル５８に出力して表示パネル５８のスクリーンに表示または再生させる。上記受信装置は、テレビジョン放送などの放送信号を受信することができる。また、上記選曲した信号は、映像情報、文字情報および音声情報の少なくともいずれかを含む。なお、図７で示した表示パネル５８において、上記「スクリーン」は発光体膜５４に相当する。この構成によりテレビジョンなどの情報表示再生装置を構成することができる。勿論、放送信号がエンコードされている場合には、本実施形態の情報表示再生装置はデコーダーも含むことができる。また、音声信号については、別途設けたスピーカーなどの音声再生手段に出力して、表示パネル５８に表示される映像情報や文字情報と同期させて再生する。
【００４９】
また、映像情報または文字情報を表示パネル５８に出力してスクリーンに表示、再生、又は、表示と再生の両方を行う方法としては、例えば次のように行うことができる。まず、受信した映像情報や文字情報から、表示パネル５８の各画素に対応した画像信号を生成
する。そして、生成した画像信号を、画像表示装置の駆動回路に入力する。そして、駆動回路に入力された画像信号に基づいて、駆動回路から表示パネル５８内の各電子放出素子に印加する電圧を制御して、画像の表示、再生を行う。駆動回路とは、例えば、上述した走査信号制御手段や変調信号発生手段のことである。
【００５０】
図８は、本実施形態に係る情報表示再生装置の一例である、テレビジョン装置のブロック図である。
【００５１】
受信回路Ｃ２０は、チューナーやデコーダー等からなり、衛星放送や地上波等のテレビ信号、インターネットなどのネットワークを介したデータ放送等を受信し、復号化した映像データをＩ／Ｆ部（インターフェース部）Ｃ３０に出力する。Ｉ／Ｆ部Ｃ３０は、映像データを表示装置の表示フォーマットに変換して上記画像表示装置Ｃ１０に画像データを出力する。画像表示装置Ｃ１０は、表示パネルＣ１１、駆動回路Ｃ１２及び制御回路Ｃ１３を備える。制御回路は、表示パネルに適した画像データにするために入力された画像データに補正処理等の画像処理を施すともに、駆動回路Ｃ１２に画像データ及び各種制御信号を出力する。駆動回路Ｃ１２は、入力された画像データに基づいて、表示パネルＣ１１の各配線（図５，９のＤｘ１〜Ｄｘｍ、Ｄｙ１〜Ｄｙｎなど）に駆動信号を出力し、表示パネルのスクリーンにテレビ映像を表示する。受信回路Ｃ２０とＩ／Ｆ部Ｃ３０は、セットトップボックス（ＳＴＢ）として画像表示装置Ｃ１０とは別の筐体に収められていてもよいし、画像表示装置Ｃ１０と同一の筐体に収められていてもよい。
【００５２】
また、情報表示再生装置は、プリンター、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラ、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）などの画像記録装置や画像出力装置と接続するためのインターフェースを備える構成とすることもできる。このようにすれば、画像記録装置に記録された画像を表示パネルＣ１１に表示させることもできる。また、表示パネルＣ１１に表示させた画像を、必要に応じて加工し、画像出力装置に出力させることのできる情報表示再生装置（またはテレビジョン）を構成することもできる。
【００５３】
ここで述べた情報表示再生装置の構成は、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。また、本発明の実施形態に係る情報表示再生装置は、テレビ会議システムやコンピュータ等のシステムと接続することで、様々な情報表示再生装置を構成することができる。
【００５４】
＜実施例＞
以下本発明の実施例を詳細に説明する。
【００５５】
（実施例１）
図２に示した電子放出素子を図１の作製フローに従って作製した。
【００５６】
（工程１）
基体１として石英基板を用い、これを十分に洗浄した後、基体１上に導電層２としてＴｉＮ膜をスパッタ法にて１００ｎｍの厚さで成膜した。雰囲気ガスは、ＡｒガスとＮ２ガスとを９：１の割合で混合したガスを用い、以下の条件で成膜を行った。
（成膜条件）
Ｒｆ電源 ： １３．５６ＭＨｚ
Ｒｆ出力 ： ８Ｗ／ｃｍ２
雰囲気ガス圧 ： ０．５Ｐａ
ターゲット ： Ｔｉ
【００５７】
（工程２）
そして、導電層２上にプラズマＣＶＤ法を用いて、ダイヤモンドライクカーボン膜を厚さ約３０ｎｍ堆積させ、電子放出膜３とした。
【００５８】
（工程３）
次に、水素とエチレンの混合ガス雰囲気中で加熱処理（基板加熱処理）を行い、電子放出膜３の表面を水素で終端した。雰囲気ガスは、水素とエチレンを３：７の割合で混合したガスを用い、以下の条件で加熱処理を行った。
（加熱条件）
加熱温度 ：６００℃
加熱方式 ：ランプ加熱
処理時間 ：１０分
雰囲気ガス圧 ：１００ｔｏｒｒ（ＳＩ単位にすると１３．３ｋＰａ程度）
【００５９】
このとき、混合ガス雰囲気を四重極質量分析計（Ｑマス）にて分析したところ、水素と炭化水素の中性ラジカルの総分圧は、３．５×１０−６Ｐａであった。
【００６０】
このようにして作製した電子放出素子の電子放出特性を測定した。当該電子放出素子の上方（電子が放出される側）に、ある程度離れてアノード電極を配置し、アノード電極とカソード電極との間に電圧（駆動電圧）を印加した。その結果、電子放出膜を水素で終端していない場合よりも、低い電界強度で電子を放出して、良好な電子放出特性を示し、かつ電子放出点密度が大きく、電子放出量のゆらぎも小さかった
【００６１】
一方、比較例として、水素と炭化水素の中性ラジカルの総分圧が２．６×１０−１２Ｐａのガス雰囲気中で基板加熱処理を行って電子放出素子を作製した。
【００６２】
比較例の電子放出素子の電子放出特性を測定した結果、比較例の電子放出素子よりも水素と炭化水素の中性ラジカルの総分圧が３．５×１０−６Ｐａのガス雰囲気中で基板加熱処理を行って作製した電子放出素子の方が、低い電界強度で電子を放出した。さらに、比較例の電子放出素子よりも水素と炭化水素の中性ラジカルの総分圧が３．５×１０−６Ｐａのガス雰囲気中で基板加熱処理を行って作製した電子放出膜の方が、良好な電子放出特性を示し、かつ電子放出密度が大きく、電子放出量のゆらぎも小さかった。尚、水素と炭化水素の中性ラジカルの総分圧が１×１０−３Ｐａであるガス雰囲気中で基板加熱処理を行った。そのように作製された電子放出素子の電子放出密度は、本実施例の電子放出素子のものよりも明らかに小さかった。そこで、水素と炭化水素の中性ラジカルの総分圧を変化させたところ、電子放出密度が大きく、且つ、電子放出量のゆらぎも小さい電子放出素子を再現性良く得られる当該中性ラジカルの総分圧の実用的な範囲に関する知見を得ることができた。当該範囲は、２×１０−１１Ｐａよりも大きく８×１０−４Ｐａより小さい範囲であった。
【００６３】
（実施例２）
図９に示した製造方法に従って、電子放出素子を作製した。
【００６４】
（工程１）
基体１として石英基板を用い、これを十分に洗浄した後、基体１上に導電層２としてＴｉＮ膜をスパッタ法にて１００ｎｍの厚さで成膜した。雰囲気ガスは、ＡｒガスとＮ２ガスとを９：１の割合で混合したガスを用い、以下の条件で成膜を行った。
（成膜条件）
Ｒｆ電源 ： １３．５６ＭＨｚ
Ｒｆ出力 ： ８Ｗ／ｃｍ２
雰囲気ガス圧 ： １．２Ｐａ
ターゲット ： Ｔｉ
【００６５】
（工程２）
そして、導電層上にスパッタ法を用いて、ダイヤモンドライクカーボン膜を厚さ約３０ｎｍ堆積させ、電子放出膜３とした。
【００６６】
（工程３）
次に、電子放出膜３上に、プラズマＣＶＤ法により絶縁層４としてＳｉＯ２を厚さ１ｍｍ成膜した。
【００６７】
（工程４）
そして、絶縁層４上に、ゲート電極５として、Ｐｔを１００ｎｍの厚さになるように成膜した。
【００６８】
（工程５）
次に、ゲート電極５上に、ポジ型フォトレジストをスピンコートし、フォトマスクパターン（円形）を露光、現像し、マスクパターンを形成した。マスクパターンに設けた開口（円形）の大きさは、直径１．５μｍとした。なお、開口の数は、図４に示した様に複数個形成してもよく、特に限定されるものではない。
【００６９】
（工程６）
ドライエッチングにより、上記マスクパターンの開口内に露出するゲート電極５、および、当該ゲート電極５の直下に位置する絶縁層４を取り除き、開口２１を形成した。これにより、開口２１内に電子放出膜３の表面が露出された。
【００７０】
（工程７）
残ったマスクパターンを、剥離液にて除去し、水洗を行った。
【００７１】
（工程８）
次に、水素とエチレンの混合ガス雰囲気中で基板加熱処理を行い、電子放出膜３の表面を水素で終端した。雰囲気ガスは、水素とエチレンを１：９の割合で混合したガスを用い、以下の条件で加熱処理を行った。
（加熱条件）
加熱温度 ：６００℃
加熱方式 ：ランプ加熱
処理時間 ：１０分
雰囲気ガス圧 ：１００ｔｏｒｒ（ＳＩ単位にすると１３．３ｋＰａ程度）
【００７２】
この時、混合ガス雰囲気を四重極質量分析計（Ｑマス）にて分析したところ、水素と炭化水素の中性ラジカルの層分圧は、１．５×１０−７Ｐａであった。
【００７３】
以上の工程で、実施例２の電子放出素子を完成させた。
【００７４】
このように作製した電子放出素子の電子放出特性を測定した。測定の際、本実施例で作製した電子放出素子を図５に示すように、電子放出素子の上方に、離れて、アノード電極６を配置した。そして、アノード電極６、導電層２、ゲート電極５にそれぞれ電圧（電位）を印加して、電子放出特性を測定した。
【００７５】
印加電圧は、アノード電極に印加する電圧（加速電圧）をＶａ＝１０ｋＶ、ゲート電極
とカソード電極間に印加する電圧（駆動電圧）をＶｂ＝２０Ｖとし、電子放出膜３とアノード電極６との距離Ｈを２ｍｍとした。その結果、本実施例の電子放出素子は、低い電界強度で電子を放出する良好な電子放出特性を示し、電子放出量のゆらぎも小さかった。
【００７６】
（実施例３）
上記実施例２で作製した電子放出素子を用いて図７に示す画像表示装置（表示パネル５８）を作製した。
【００７７】
実施例２で示した電子放出素子を、Ｘ方向に１００個、Ｙ方向に１００個、マトリクス状に配置した。配線は図５に示したようにＸ方向配線４２（Ｄｘ１〜Ｄｘｍ）を導電層２に接続し、Ｙ方向配線４３（Ｄｙ１〜Ｄｙｎ）をゲート電極５に接続した。各電子放出素子４４の上方には発光体膜５４とアノード電極であるメタルバック５５を配置した。図５では、１つの電子放出素子４４に開口２１が一つ形成されている例を示しているが、開口の数は一つに限定されるものではなく、複数の開口を備えていても構わない。
【００７８】
外囲器５７を封着するために接着剤としてインジウムを用いてリアプレート５１とフェースプレート５６とを支持枠５２を間に挟んで封着した。この結果、単純マトリクス駆動が可能で、高精細で、輝度ばらつきの少ない、画像表示装置が形成できた。
【００７９】
以上述べたように、本実施形態では、非常に高い温度を要することなく、簡易な方法で、電子放出特性が良好な電子放出素子を作製することができた。また、当該電子放出素子は、電子放出点密度が大きく、かつ、電子放出量のゆらぎの小さい電子放出が可能であった。さらに、当該電子放出素子を用いた電子源や、単純マトリクス駆動が可能で、高精細で、輝度ばらつきの少ない、画像表示装置画像表示装置を、容易に作製することができた。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る電子放出素子の作製方法の流れを示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る電子放出素子の最も基本的な構成の一例を示す断面模式図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る電子放出素子の変形例の模式図であり、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のｂ−ｂ’における断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る電子放出素子の変形例の模式図であり、図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のｂ−ｂ’における断面図の一例であり、図４（ｃ）も、図４（ａ）のｂ−ｂ’における断面図の一例である。
【図５】図５は、本発明の実施形態に係る電子放出素子を用いた電子放出装置の一例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態に係る電子放出素子を複数配して得られる電子源の一例を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態に係る電子源を用いて構成した画像表示装置の一例を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態に係る情報表示再生装置の一例を示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態にかかる３極構造の電子放出素子の製造方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１ 基体
２ 導電層
３ 電子放出膜
４ 絶縁層
５ ゲート電極
６ アノード電極
２１ 開口
４２ Ｘ方向配線
４３ Ｙ方向配線
４４ 電子放出素子
５１ リアプレート
５２ 支持枠
５３ ガラス基体
５４ 発光体膜
５５ メタルバック
５６ フェースプレート
５７ 外囲器
５８ 表示パネル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出素子の製造方法および、該電子放出素子、該電子放出素子を配置してなる電子源、該電子源を用いて構成した画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子放出素子には、電界放出型（以下、「ＦＥ型」と称する）電子放出素子や、表面伝導型電子放出素子がある。
【０００３】
ＦＥ型電子放出素子には、電子ビームの広がりが少ない電子放出素子の例として、平坦な電子放出膜上に、開口（いわゆる「ゲートホール」）を有するゲート電極を備えた電子放出素子がある（特許文献１〜３）。このような平坦な電子放出膜を有する電子放出素子では、電子放出膜表面に比較的平坦な等電位面が形成されるため、電子ビームの広がりを小さくすることができる。
【０００４】
そして、このような電子放出膜の電子放出特性を向上させる手段として、例えば、ダイヤモンドを用いた電子放出膜の表面を水素で終端する方法などが提案されている（特許文献４）。具体的には、水素ガスのＥＣＲ放電プラズマにダイヤモンド表面を晒すことで、ダイヤモンド表面を水素で終端する。その結果、電子放出膜の電子親和力が負になるので、電子放出のための閾電界（電子放出を行うために最低限必要な電界強度；電子放出を行うために電子放出素子に最低限印加される電圧）が小さくなり、電子放出特性が向上する。
【０００５】
また、特許文献５のようにダイヤモンド表面のある部分にのみ水素終端を施すことで目的の電子放出素子を形成する方法なども提案されている。
【特許文献１】特開２００４−０７１５３６号公報
【特許文献２】特開平８−０５５５６４号公報
【特許文献３】特開２００５−２６２０９号公報
【特許文献４】特開平１０−２８３９１４号公報
【特許文献５】特開２００６−１３４７２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した水素終端処理により電子放出膜の電子放出特性を向上させる手段としては、炭化水素ガスや水素ガス中に電子放出膜を配置し、加熱する熱ＣＶＤ法や、特許文献４、５のようにプラズマを用いる方法が一般的である。しかし、これら従来の手法では、電子放出膜の表面の一部に水素終端処理されない箇所が生じる場合がある。そのような箇所が生じると、電子放出点密度が小さくなり、駆動時の電子放出量のゆらぎが大きくなってしまう場合がある。
【０００７】
また、熱ＣＶＤ法においては、水素終端処理の効率を上げるために非常に高い加熱温度が必要な場合がある。この場合、当該加熱によって電子放出膜が損傷し、水素終端処理によって逆に電子放出特性を下げてしまう場合がある。
【０００８】
また、非常に高い加熱温度は、作製コストを引き上げることにつながり、作製プロセスとして好ましくない。
【０００９】
そこで、本発明は、電子放出特性が良好で、電子放出点密度が大きく、かつ、電子放出
量のゆらぎの小さい電子放出可能な電子放出素子、電子源、画像表示装置、及び、それらの簡易な製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために成された本発明の構成は、以下のとおりである。
【００１１】
本発明に係る電子放出素子の製造方法は、導電層上に電子放出材料を含む膜を形成する工程と、前記電子放出材料を含む膜が形成された導電層を水素および炭化水素のラジカルを含む雰囲気中で加熱する工程と、を有する電子放出素子の製造方法であって、前記雰囲気における前記水素および炭化水素のラジカルの総分圧が２×１０−１１Ｐａ以上、８×１０−４Ｐａ以下であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る電子放出素子は、上記電子放出素子の製造方法で製造されたことを特徴とする。
【００１３】
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。
【００１４】
また、本発明に係る画像表示装置は、上記電子源と、電子の照射によって発光する発光部材と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電子放出特性が良好で、電子放出点密度が大きく、かつ、電子放出量のゆらぎの小さい電子放出可能な電子放出素子、電子源、画像表示装置、及び、それらの簡易な製造方法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】
【００１６】
以下、図面を用いて、本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但し、下記の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは、特に記載のない限りは、この発明の範囲をそれらに限定する趣旨のものではない。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る電子放出素子の作製方法の流れを示す図である。図２は、本実施形態に係る電子放出素子の最も基本的な構成の一例を示す断面模式図である。図２に示すように、本実施形態に係る電子放出素子は、基体１上に配置されており、少なくとも、導電層２と、導電層２上に位置する電子放出材料を含む膜（以後、電子放出膜３とする）と、電子放出膜３の表面に終端された水素と、を備える。なお、導電層２を、「カソード電極」あるいは「電極」と呼ぶ場合もある。
【００１８】
以下、図１，２を用いて本実施形態に係る電子放出素子の製造方法について説明する。
【００１９】
（工程Ａ）
まず、表面が十分に洗浄された基体１上に、導電層２を設ける。基体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、シリコン基板などにスパッタ法等により酸化シリコン（典型的には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。
【００２０】
導電層２は、導電性を有する材料で構成され、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。導電層２の材料は、例えば、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，Ｎ
ｂ，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。導電層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。
【００２１】
次に、導電層上に電子放出膜３を形成する。電子放出膜３は、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法等の成膜技術を用いて形成することができるが、それらの製造方法に限定されるものではない。電子放出膜３は、主成分として炭素のような絶縁体であることが好ましい。電子放出膜３の膜厚は、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。
【００２２】
（工程Ｂ）
そして、電子放出膜３が形成された導電層２（勿論、基体１も含む）を水素および炭化水素のラジカルを含む雰囲気中で加熱する。これにより、電子放出膜３の表面が水素で終端される。このとき、当該加熱雰囲気における水素と炭化水素のラジカルの総分圧は、２×１０−１１Ｐａ以上、８×１０−４Ｐａ以下の範囲にあることが好ましい。
【００２３】
電子放出膜の表面をどの程度水素で終端することができたかで、電子放出点密度が決まる。電子放出点密度が小さいと電子放出特性を悪くし、電子放出量のゆらぎを大きくしてしまう。上記加熱雰囲気中における水素と炭化水素のラジカルの総分圧が２×１０−１１Ｐａよりも小さい場合、電子放出膜の表面の水素での終端が不十分になり、電子放出点密度が小さく、電子放出量のゆらぎも大きくなってしまう。一方、上記加熱雰囲気中における水素と炭化水素のラジカルの総分圧が８×１０−４Ｐａより大きいと、電子放出膜表面に水素を含んだ炭素膜が堆積してしまったり、終端された水素が逆に引き抜かれたりしてしまう。その結果、電子放出膜表面において水素で終端されていない箇所が増えることになり、電子放出密度が小さくなってしまう。すなわち、そのような条件の下（水素と炭化水素のラジカルの総分圧が２×１０−１１Ｐａよりも小さい場合や８×１０−４Ｐａより大きい場合）では、良好な電子放出特性を有する電子放出膜は得られない。
【００２４】
また、水素と炭化水素のラジカルとしては、Ｈ、ＣＨ、ＣＨ２、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ３、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ５などが好ましいが、特にこれらに限定されるものではない。
加熱の方法は、焼成炉の中に導電層２と電子放出膜３を備える基体１を配置し、ヒーターもしくはランプなどで基体全体を加熱してもよいし、またはレーザーなどで目的の場所のみを加熱するという方法でもよい。
【００２５】
＜変形例１＞
本発明の実施形態に係る電子放出素子は、図３（ａ）、（ｂ）に模式的に示す３極構造の形態であっても良い。図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のｂ−ｂ’における断面図である。上記３極構造の形態とは、図３に示すように、図２に示した電子放出膜３の上に、絶縁層４とゲート電極５とを備える形態である。但し、絶縁層４とゲート電極５には連通する（貫通する）開口２１が設けられており、当該開口２１内に電子放出膜３の一部が露出している。この形態の電子放出素子では、導電層２の電位よりも高い電位をゲート電極５に印加することで、電子放出膜３から電子を放出する。従って、ゲート電極５が、電子放出膜３から電子を放出（電界放出）させるために必要な電界を生成する。そのため、ゲート電極５は「引出し電極」とも呼ばれる。開口２１は、図３の例では円形であるが、矩形や多角形状であっても構わない。
【００２６】
図３（ａ）、（ｂ）に模式的に示す３極構造の形態の製造方法の一例を図９を用いて説明する。ただし、以下に示す製造方法は、一例であり、本変形例に係る電子放出素子の製造方法を以下に示す方法に限定する趣旨のものではない。特に、構造の違いによる堆積順序、エッチング方法に関しては限定されず、実施例においても別途説明する。
【００２７】
（工程ａ）
上述の工程Ａを経た電子放出膜３上に絶縁層４を堆積する。絶縁層４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の範囲から選択される。望ましい材料としてはＳｉＯ２，ＳｉＮ，Ａｌ２Ｏ３，ＣａＦ，アンドープダイヤモンドなどの高電界に絶えられる（耐圧性の高い）材料が望ましい。
【００２８】
（工程ｂ）
次に、絶縁層４上にゲート電極５を堆積する。ゲート電極５は、導電層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５の材料は、例えば、金属、合金、炭化物、硼化物、窒化物、半導体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。ゲート電極５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ｎｍから数百ｎｍの範囲で選択される。なお、ゲート電極５と導電層２は、同一材料でも異種材料でも良く、また、同一形成方法でも異種方法でも良い。
【００２９】
そして、ゲート電極５上に、フォトリソグラフィー技術などにより上記ゲート電極５と絶縁層４とを貫通する開口２１を形成するためのパターン（開口）を有するマスク（不図示）を形成する。
【００３０】
（工程ｃ）
次に、上記マスクを利用したエッチング工程を行い、ゲート電極５と絶縁層４を貫通し、電子放出膜３上面にまでおよぶ開口２１を形成する。その後、マスクパターンを除去する。
【００３１】
なお、エッチングの手法はどのような手法を用いてもよい。開口２１の平面形状は、円形に限られるものではない。エッチングの手法は、例えば、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を適宜選択してもよい。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。開口２１の平面形状は、上述したように、矩形や多角形状など、どのような形状であってもよい。
【００３２】
（工程ｄ）
次に、上述の工程Ｂのように、工程ｃ後の基体１（導電層２、電子放出膜３、及び、開口２１を有する絶縁層とゲート電極５、を備える基体１）を水素と炭化水素の中性ラジカル雰囲気中に設置し、当該基体１を加熱する。これにより電子放出膜３の表面が水素で終端される。
【００３３】
以上のようにして、図３に示す構成を形成することができる。次に図２や図３に示す電子放出素子の駆動方法について説明する。
【００３４】
本発明の実施形態に係る電子放出素子を用いた電子放出装置（画像表示装置も含む）では、例えば図５に示すように、一般にはトライオード構造（導電層２、ゲート電極５、アノード電極６を備える構造）を採用する。勿論、ゲート電極５を用いずに、図２に示した電子放出素子に対向する様に、アノード電極６を配置してダイオード構造の電子放出装置を構成する事も可能である。
【００３５】
図５では、図３に示す電子放出素子が配置された基体１の表面と実質的に平行になるように、第３の電極であるアノード電極６を配置している。アノード電極６には、導電層２とゲート電極５の間の電位よりも高い電位が印加される。典型的には、ゲート電極５に導電層２の電位よりも高い電位が印加され、そして、ゲート電極５の電位よりも十分に高い電位がアノード電極６に印加される。駆動時には、ゲート電極５に、導電層２の電位よりも高い電位を印加することで、電子放出膜３から電子が放出される。放出された電子は、開口２１を通り抜けた後、アノード電極６の電位によってアノード電極６に引き寄せられ、アノード電極６に衝突する。
【００３６】
＜変形例２＞
また、本発明の電子放出素子は、図４（ａ）〜（ｃ）に模式的に示す形態であっても良い。図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のｂ−ｂ’における断面図の一例である。図４（ｃ）も、図４（ａ）のｂ−ｂ’における断面図の一例である。
【００３７】
図３に示した形態では、１つの電子放出素子に、１つの開口２１を備えた形態を示した。本発明の実施形態に係る電子放出素子は、図４（ａ）に示す様に、１つの電子放出素子に、複数の開口２１を備える形態であっても良い。更に、図４（ｃ）に示すように、電子放出膜３が開口２１内のみに配置された形態であってもよい。なお、図４と図３では、同じ部材には同じ符号を用いている。
【００３８】
＜応用例＞
次に、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。
【００３９】
本実施形態に係る電子放出素子を同一の基体表面上に複数配列することによって、例えば、電子源や画像表示装置を構成することができる。
【００４０】
（電子源）
図６を用いて、本実施形態に係る電子放出素子を複数備える電子源について説明する。図６において、１は基体（図２，３における基体１と同じものである）、４２はＸ方向配線、４３はＹ方向配線、４４は本実施形態に係る電子放出素子である。
【００４１】
Ｘ方向配線４２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材料（典型的には金属）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４３は、Ｄｙ１、Ｄｙ２、・・・Ｄｙｎのｎ本の配線からなり、Ｘ方向配線４２と同様に形成される。これらｍ本のＸ方向配線４２とｎ本のＹ方向配線４３との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者は電気的に分離されている。ここで、ｍ及びｎは共に正の整数である。不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等を用いて形成された酸化シリコン等で構成される。
【００４２】
電子放出素子４４を構成する、第１の電極（カソ―ド電極；導電層２）はｍ本のＸ方向配線４２のうちの一つに接続され、第２の電極（ゲート電極５）はｎ本のＹ方向配線４３のうちの一つに電気的に接続される。
【００４３】
Ｘ方向配線４２、Ｙ方向配線４３、第１の電極、及び、第２の電極を構成する材料（構成元素）は、その一部或いは全部が同一であっても、またそれぞれ異なっていても良い。第１の電極及び第２の電極を構成する材料とそれぞれの配線材料が同一である場合には、Ｘ方向配線４２、Ｙ方向配線４３は、それぞれ第１の電極或いは第２の電極ということもできる。
【００４４】
Ｘ方向配線４２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４４に走査信号を印加する。一方、Ｙ方向配線４３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４４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、当該素子に印加される走査信号と変調信号の差電圧として定義される。
【００４５】
（画像表示装置）
上記構成の電子源を用いれば、個別の電子放出素子を選択し、独立に駆動可能とすることができる。このような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について、図７を用いて説明する。図７は、画像表示装置を構成する表示パネル５８の一例を示す模式図である。
【００４６】
図７において、５１は電子源を備える基体（図６の基体１と同じものであり、「リアプレート」と呼ぶ場合もある）である。５６は、透明なガラス基体５３と、その内面に配置された蛍光体などの電子線の照射によって発光する発光部材からなる発光体膜５４と、アノード電極としての導電性膜（メタルバックと呼ぶ場合もある）５５とが設けられたフェースプレートである。５２は支持枠であり、支持枠５２には、リアプレート５１、フェースプレート５６がフリットガラス等の接着剤を用いて接続（封着）されている。５７は外囲器（気密容器）であり、フェースプレートとリアプレートと支持枠とを封着することで構成されている。フェースプレート５６とリアプレート５１との間に、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５７を構成することもできる。なお、本実施形態では図６の基体１と図９のリアプレート５１を同じものとしているが、図６の基体１を他の基体に固定し、当該他の基体を外囲器５７の一部としてもよい。その場合には、当該他の基体をリアプレートと呼ぶ。
【００４７】
また、図７を用いて説明した本実施形態の表示パネル５８を用いて情報表示再生装置を構成することができる。
【００４８】
具体的には、受信装置と、受信した信号を選曲するチューナーと、選曲した信号に含まれる信号を、表示パネル５８に出力して表示パネル５８のスクリーンに表示または再生させる。上記受信装置は、テレビジョン放送などの放送信号を受信することができる。また、上記選曲した信号は、映像情報、文字情報および音声情報の少なくともいずれかを含む。なお、図７で示した表示パネル５８において、上記「スクリーン」は発光体膜５４に相当する。この構成によりテレビジョンなどの情報表示再生装置を構成することができる。勿論、放送信号がエンコードされている場合には、本実施形態の情報表示再生装置はデコーダーも含むことができる。また、音声信号については、別途設けたスピーカーなどの音声再生手段に出力して、表示パネル５８に表示される映像情報や文字情報と同期させて再生する。
【００４９】
また、映像情報または文字情報を表示パネル５８に出力してスクリーンに表示、再生、又は、表示と再生の両方を行う方法としては、例えば次のように行うことができる。まず、受信した映像情報や文字情報から、表示パネル５８の各画素に対応した画像信号を生成
する。そして、生成した画像信号を、画像表示装置の駆動回路に入力する。そして、駆動回路に入力された画像信号に基づいて、駆動回路から表示パネル５８内の各電子放出素子に印加する電圧を制御して、画像の表示、再生を行う。駆動回路とは、例えば、上述した走査信号制御手段や変調信号発生手段のことである。
【００５０】
図８は、本実施形態に係る情報表示再生装置の一例である、テレビジョン装置のブロック図である。
【００５１】
受信回路Ｃ２０は、チューナーやデコーダー等からなり、衛星放送や地上波等のテレビ信号、インターネットなどのネットワークを介したデータ放送等を受信し、復号化した映像データをＩ／Ｆ部（インターフェース部）Ｃ３０に出力する。Ｉ／Ｆ部Ｃ３０は、映像データを表示装置の表示フォーマットに変換して上記画像表示装置Ｃ１０に画像データを出力する。画像表示装置Ｃ１０は、表示パネルＣ１１、駆動回路Ｃ１２及び制御回路Ｃ１３を備える。制御回路は、表示パネルに適した画像データにするために入力された画像データに補正処理等の画像処理を施すともに、駆動回路Ｃ１２に画像データ及び各種制御信号を出力する。駆動回路Ｃ１２は、入力された画像データに基づいて、表示パネルＣ１１の各配線（図５，９のＤｘ１〜Ｄｘｍ、Ｄｙ１〜Ｄｙｎなど）に駆動信号を出力し、表示パネルのスクリーンにテレビ映像を表示する。受信回路Ｃ２０とＩ／Ｆ部Ｃ３０は、セットトップボックス（ＳＴＢ）として画像表示装置Ｃ１０とは別の筐体に収められていてもよいし、画像表示装置Ｃ１０と同一の筐体に収められていてもよい。
【００５２】
また、情報表示再生装置は、プリンター、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラ、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）などの画像記録装置や画像出力装置と接続するためのインターフェースを備える構成とすることもできる。このようにすれば、画像記録装置に記録された画像を表示パネルＣ１１に表示させることもできる。また、表示パネルＣ１１に表示させた画像を、必要に応じて加工し、画像出力装置に出力させることのできる情報表示再生装置（またはテレビジョン）を構成することもできる。
【００５３】
ここで述べた情報表示再生装置の構成は、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。また、本発明の実施形態に係る情報表示再生装置は、テレビ会議システムやコンピュータ等のシステムと接続することで、様々な情報表示再生装置を構成することができる。
【００５４】
＜実施例＞
以下本発明の実施例を詳細に説明する。
【００５５】
（実施例１）
図２に示した電子放出素子を図１の作製フローに従って作製した。
【００５６】
（工程１）
基体１として石英基板を用い、これを十分に洗浄した後、基体１上に導電層２としてＴｉＮ膜をスパッタ法にて１００ｎｍの厚さで成膜した。雰囲気ガスは、ＡｒガスとＮ２ガスとを９：１の割合で混合したガスを用い、以下の条件で成膜を行った。
（成膜条件）
Ｒｆ電源 ： １３．５６ＭＨｚ
Ｒｆ出力 ： ８Ｗ／ｃｍ２
雰囲気ガス圧 ： ０．５Ｐａ
ターゲット ： Ｔｉ
【００５７】
（工程２）
そして、導電層２上にプラズマＣＶＤ法を用いて、ダイヤモンドライクカーボン膜を厚さ約３０ｎｍ堆積させ、電子放出膜３とした。
【００５８】
（工程３）
次に、水素とエチレンの混合ガス雰囲気中で加熱処理（基板加熱処理）を行い、電子放出膜３の表面を水素で終端した。雰囲気ガスは、水素とエチレンを３：７の割合で混合したガスを用い、以下の条件で加熱処理を行った。
（加熱条件）
加熱温度 ：６００℃
加熱方式 ：ランプ加熱
処理時間 ：１０分
雰囲気ガス圧 ：１００ｔｏｒｒ（ＳＩ単位にすると１３．３ｋＰａ程度）
【００５９】
このとき、混合ガス雰囲気を四重極質量分析計（Ｑマス）にて分析したところ、水素と炭化水素の中性ラジカルの総分圧は、３．５×１０−６Ｐａであった。
【００６０】
このようにして作製した電子放出素子の電子放出特性を測定した。当該電子放出素子の上方（電子が放出される側）に、ある程度離れてアノード電極を配置し、アノード電極とカソード電極との間に電圧（駆動電圧）を印加した。その結果、電子放出膜を水素で終端していない場合よりも、低い電界強度で電子を放出して、良好な電子放出特性を示し、かつ電子放出点密度が大きく、電子放出量のゆらぎも小さかった
【００６１】
一方、比較例として、水素と炭化水素の中性ラジカルの総分圧が２．６×１０−１２Ｐａのガス雰囲気中で基板加熱処理を行って電子放出素子を作製した。
【００６２】
比較例の電子放出素子の電子放出特性を測定した結果、比較例の電子放出素子よりも水素と炭化水素の中性ラジカルの総分圧が３．５×１０−６Ｐａのガス雰囲気中で基板加熱処理を行って作製した電子放出素子の方が、低い電界強度で電子を放出した。さらに、比較例の電子放出素子よりも水素と炭化水素の中性ラジカルの総分圧が３．５×１０−６Ｐａのガス雰囲気中で基板加熱処理を行って作製した電子放出膜の方が、良好な電子放出特性を示し、かつ電子放出密度が大きく、電子放出量のゆらぎも小さかった。尚、水素と炭化水素の中性ラジカルの総分圧が１×１０−３Ｐａであるガス雰囲気中で基板加熱処理を行った。そのように作製された電子放出素子の電子放出密度は、本実施例の電子放出素子のものよりも明らかに小さかった。そこで、水素と炭化水素の中性ラジカルの総分圧を変化させたところ、電子放出密度が大きく、且つ、電子放出量のゆらぎも小さい電子放出素子を再現性良く得られる当該中性ラジカルの総分圧の実用的な範囲に関する知見を得ることができた。当該範囲は、２×１０−１１Ｐａよりも大きく８×１０−４Ｐａより小さい範囲であった。
【００６３】
（実施例２）
図９に示した製造方法に従って、電子放出素子を作製した。
【００６４】
（工程１）
基体１として石英基板を用い、これを十分に洗浄した後、基体１上に導電層２としてＴｉＮ膜をスパッタ法にて１００ｎｍの厚さで成膜した。雰囲気ガスは、ＡｒガスとＮ２ガスとを９：１の割合で混合したガスを用い、以下の条件で成膜を行った。
（成膜条件）
Ｒｆ電源 ： １３．５６ＭＨｚ
Ｒｆ出力 ： ８Ｗ／ｃｍ２
雰囲気ガス圧 ： １．２Ｐａ
ターゲット ： Ｔｉ
【００６５】
（工程２）
そして、導電層上にスパッタ法を用いて、ダイヤモンドライクカーボン膜を厚さ約３０ｎｍ堆積させ、電子放出膜３とした。
【００６６】
（工程３）
次に、電子放出膜３上に、プラズマＣＶＤ法により絶縁層４としてＳｉＯ２を厚さ１ｍｍ成膜した。
【００６７】
（工程４）
そして、絶縁層４上に、ゲート電極５として、Ｐｔを１００ｎｍの厚さになるように成膜した。
【００６８】
（工程５）
次に、ゲート電極５上に、ポジ型フォトレジストをスピンコートし、フォトマスクパターン（円形）を露光、現像し、マスクパターンを形成した。マスクパターンに設けた開口（円形）の大きさは、直径１．５μｍとした。なお、開口の数は、図４に示した様に複数個形成してもよく、特に限定されるものではない。
【００６９】
（工程６）
ドライエッチングにより、上記マスクパターンの開口内に露出するゲート電極５、および、当該ゲート電極５の直下に位置する絶縁層４を取り除き、開口２１を形成した。これにより、開口２１内に電子放出膜３の表面が露出された。
【００７０】
（工程７）
残ったマスクパターンを、剥離液にて除去し、水洗を行った。
【００７１】
（工程８）
次に、水素とエチレンの混合ガス雰囲気中で基板加熱処理を行い、電子放出膜３の表面を水素で終端した。雰囲気ガスは、水素とエチレンを１：９の割合で混合したガスを用い、以下の条件で加熱処理を行った。
（加熱条件）
加熱温度 ：６００℃
加熱方式 ：ランプ加熱
処理時間 ：１０分
雰囲気ガス圧 ：１００ｔｏｒｒ（ＳＩ単位にすると１３．３ｋＰａ程度）
【００７２】
この時、混合ガス雰囲気を四重極質量分析計（Ｑマス）にて分析したところ、水素と炭化水素の中性ラジカルの層分圧は、１．５×１０−７Ｐａであった。
【００７３】
以上の工程で、実施例２の電子放出素子を完成させた。
【００７４】
このように作製した電子放出素子の電子放出特性を測定した。測定の際、本実施例で作製した電子放出素子を図５に示すように、電子放出素子の上方に、離れて、アノード電極６を配置した。そして、アノード電極６、導電層２、ゲート電極５にそれぞれ電圧（電位）を印加して、電子放出特性を測定した。
【００７５】
印加電圧は、アノード電極に印加する電圧（加速電圧）をＶａ＝１０ｋＶ、ゲート電極
とカソード電極間に印加する電圧（駆動電圧）をＶｂ＝２０Ｖとし、電子放出膜３とアノード電極６との距離Ｈを２ｍｍとした。その結果、本実施例の電子放出素子は、低い電界強度で電子を放出する良好な電子放出特性を示し、電子放出量のゆらぎも小さかった。
【００７６】
（実施例３）
上記実施例２で作製した電子放出素子を用いて図７に示す画像表示装置（表示パネル５８）を作製した。
【００７７】
実施例２で示した電子放出素子を、Ｘ方向に１００個、Ｙ方向に１００個、マトリクス状に配置した。配線は図５に示したようにＸ方向配線４２（Ｄｘ１〜Ｄｘｍ）を導電層２に接続し、Ｙ方向配線４３（Ｄｙ１〜Ｄｙｎ）をゲート電極５に接続した。各電子放出素子４４の上方には発光体膜５４とアノード電極であるメタルバック５５を配置した。図５では、１つの電子放出素子４４に開口２１が一つ形成されている例を示しているが、開口の数は一つに限定されるものではなく、複数の開口を備えていても構わない。
【００７８】
外囲器５７を封着するために接着剤としてインジウムを用いてリアプレート５１とフェースプレート５６とを支持枠５２を間に挟んで封着した。この結果、単純マトリクス駆動が可能で、高精細で、輝度ばらつきの少ない、画像表示装置が形成できた。
【００７９】
以上述べたように、本実施形態では、非常に高い温度を要することなく、簡易な方法で、電子放出特性が良好な電子放出素子を作製することができた。また、当該電子放出素子は、電子放出点密度が大きく、かつ、電子放出量のゆらぎの小さい電子放出が可能であった。さらに、当該電子放出素子を用いた電子源や、単純マトリクス駆動が可能で、高精細で、輝度ばらつきの少ない、画像表示装置画像表示装置を、容易に作製することができた。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る電子放出素子の作製方法の流れを示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る電子放出素子の最も基本的な構成の一例を示す断面模式図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る電子放出素子の変形例の模式図であり、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のｂ−ｂ’における断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る電子放出素子の変形例の模式図であり、図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のｂ−ｂ’における断面図の一例であり、図４（ｃ）も、図４（ａ）のｂ−ｂ’における断面図の一例である。
【図５】図５は、本発明の実施形態に係る電子放出素子を用いた電子放出装置の一例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態に係る電子放出素子を複数配して得られる電子源の一例を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態に係る電子源を用いて構成した画像表示装置の一例を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態に係る情報表示再生装置の一例を示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態にかかる３極構造の電子放出素子の製造方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１ 基体
２ 導電層
３ 電子放出膜
４ 絶縁層
５ ゲート電極
６ アノード電極
２１ 開口
４２ Ｘ方向配線
４３ Ｙ方向配線
４４ 電子放出素子
５１ リアプレート
５２ 支持枠
５３ ガラス基体
５４ 発光体膜
５５ メタルバック
５６ フェースプレート
５７ 外囲器
５８ 表示パネル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電層上に電子放出材料を含む膜を形成する工程と、
前記電子放出材料を含む膜が形成された導電層を水素および炭化水素のラジカルを含む雰囲気中で加熱する工程と、
を有する電子放出素子の製造方法であって、
前記雰囲気における前記水素および炭化水素のラジカルの総分圧が２×１０−１１Ｐａ以上、８×１０−４Ｐａ以下である
ことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項２】
前記電子放出材料を含む膜の主成分が絶縁体である
ことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項３】
前記電子放出材料を含む膜の主成分が炭素である
ことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の電子放出素子の製造方法で製造された
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項５】
請求項４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６】
請求項５に記載の電子源と、
電子の照射によって発光する発光部材と、
を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１】
導電層上に電子放出材料を含む膜を形成する工程と、
前記電子放出材料を含む膜が形成された導電層を水素および炭化水素のラジカルを含む雰囲気中で加熱する工程と、
を有する電子放出素子の製造方法であって、
前記雰囲気における前記水素および炭化水素のラジカルの総分圧が２×１０−１１Ｐａ以上、８×１０−４Ｐａ以下である
ことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項２】
前記電子放出材料を含む膜の主成分が絶縁体である
ことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項３】
前記電子放出材料を含む膜の主成分が炭素である
ことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の電子放出素子の製造方法で製造された
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項５】
請求項４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６】
請求項５に記載の電子源と、
電子の照射によって発光する発光部材と、
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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１１０７９１（Ｐ２００９−１１０７９１Ａ）
【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２００７−２８１４２９（Ｐ２００７−２８１４２９）
【出願日】平成１９年１０月３０日（２００７．１０．３０）
【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３０日（２００７．１０．３０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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