電子線装置及び画像表示装置
【課題】電子放出効率が高く、同時にゲートとカソード間の静電容量の小さな電子線装置を提供する。
【解決手段】絶縁部材２の側面２ａ上に形成したゲート５とカソード４と、Ｚ方向の延長上に配置したアノードと、を備えた電子線装置において、ゲート５とカソード４のアノードへの正射影が互いに重ならないように、ゲート５とカソード４とをＹ方向においてずらせて配置する。
【解決手段】絶縁部材２の側面２ａ上に形成したゲート５とカソード４と、Ｚ方向の延長上に配置したアノードと、を備えた電子線装置において、ゲート５とカソード４のアノードへの正射影が互いに重ならないように、ゲート５とカソード４とをＹ方向においてずらせて配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラットパネルディスプレイに用いられる、電子を放出する電子放出素子を備えた電子線装置と、該電子線装置を用いてなる画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、カソードとゲートとを近接して配置してなる電子放出素子と、該カソードから放出された電子を加速するためのアノードとを備えた電子線装置が知られている。係る電子線装置においては、アノードの後方に発光部材を配置しておき、カソードとゲート間に高電圧を印加して該カソードから電子を放出させ、該電子をアノードに衝突させて発光部材を発光させる。特許文献２には、簡易な構成で電子放出効率の高い電子放出素子とこれを備えた画像表示装置が開示されている。係る電子放出素子は、基板上の絶縁面に凹部を設けて、その凹部を挟んでカソードとゲートとを形成することで、カソードから電子放出を可能とする。そして係る文献には、寄生容量を低減せしめるために、絶縁層を厚くする構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１６７６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記した電子線装置を用いた画像表示装置において、消費電力の削減や高コントラスト比の実現のためには、より低い駆動電圧での駆動が望ましい。低駆動電圧で、電子放出に必要な電界強度を得るためには、ゲートとカソードとの間隔を小さくすることが必要となる。しかしながら、ゲートとカソード間の距離を小さくした場合、カソードから放出された電子がゲートに衝突することなどが原因で、アノードまで到達する確率（電子放出効率）が低くなることがわかっている。さらに、ゲートとカソードの間隔を小さくすることにより電子放出部の静電容量が増加してしまい、これにより、駆動波形のなまりやクロストークの発生、さらには充放電電流の増加に伴う消費電力の増加といった課題が同時に生じてしまう。
【０００５】
本発明の課題は、電子放出効率が高く、同時にゲートとカソード間の静電容量の小さな電子線装置を構成し、該電子線装置を用いて低消費電力で高コントラストの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】
【０００６】
本発明の第１は、第１の方向と、該第１の方向に直交する第２の方向とに平行な表面を有する絶縁部材と、
前記絶縁部材の前記表面に位置し、前記第１の方向に平行な端辺を有する少なくとも１個の短冊状のカソードと、
前記第２の方向の延長上に位置し、該カソードの第１の方向に平行な端辺に対向配置するアノードと、
前記絶縁部材の前記表面上であって、前記アノードと前記カソードとの間に位置し、前記第１の方向に平行な端辺を有する少なくとも１個の短冊状のゲートと、を有し、
前記アノードへの、ゲートの正射影がカソードの正射影と重ならないことを特徴とする電子線装置である。
【０００７】
本発明の第２は、本発明の第１の電子線装置と、前記アノードに積層して位置する発光部材とを有することを特徴とする画像表示装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の電子線装置においては、ゲートとカソードとが特定の配置で構成されているため、電子放出効率が向上すると同時に静電容量が減少する。よって、係る電子線装置を用いた本発明の画像表示装置においては、消費電力が低減すると同時に高コントラストを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の電子線装置の一実施形態の電子放出素子を示す模式図である。
【図２】本発明の電子線装置の一実施形態の模式図である。
【図３】図１に示した電子放出素子のゲートとカソードの部分拡大図である。
【図４】本発明に係る電子放出素子のゲートでの電子の散乱を示した模式図である。
【図５】本発明に係る電子放出素子のゲートとカソードの配置例を示した模式図である。
【図６】本発明に係る電子放出素子の絶縁部材の形状を示した模式図である。
【図７】本発明の電子線装置の他の実施形態の電子放出素子の模式図である。
【図８】図７の電子放出素子の製造工程を示した模式図である。
【図９】本発明の画像表示装置の一実施形態の構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施例に係る電子放出素子の製造工程を示した模式図である。
【図１１】本発明の比較例に係る電子放出素子の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の電子線装置はカソードとゲートとを絶縁部材とを備えた電子放出素子と、該電子放出素子から放出された電子を衝突させるアノードとを備えたものである。また、本発明の画像表示装置は、上記本発明の電子線装置と、該電子線装置のアノードに発光部材を配置してなるものである。以下、本発明の電子線装置及び画像表示装置について、実施形態を挙げて説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は本発明の電子線装置の一実施形態の電子放出素子を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図（Ｘ方向から見た図）、（ｃ）は平面図（Ｚ方向から見た図）である。尚、以下の説明においては、便宜上、本発明に係る第１の方向をＹ方向、第２の方向をＺ方向とし、該第１及び第２の方向に直交する方向をＸ方向とする。図中、１は絶縁性基板、２は絶縁部材、２ａは絶縁部材の側面、４はカソード、５はゲート、６はゲートへの給電ライン、７はカソードへの給電ラインである。
【００１２】
本発明に係る電子放出素子の基本構成は、絶縁部材２とカソード４、ゲート５であり、カソード４とゲート５とは絶縁部材２のＹ方向及びＺ方向に平行な表面（本例では側面）２ａに配置されている。カソード４及びゲート５はそれぞれ、Ｙ方向に平行な端辺を有し、互いに該端辺が絶縁部材２の表面上で近接して配置している。通常、係る素子は絶縁性基板１上に形成される。尚、本例においては、絶縁性基板１はＸ方向及びＹ方向に平行な表面（ＸＹ表面）を有し、カソード４及びゲート５が配置された絶縁部材２の側面２ａはＸＹ表面に直交している。しかしながら、本発明ではこれに限定されるものではなく、側面２ａが絶縁性基板１の表面に対して傾いて形成されていても良い。
【００１３】
絶縁性基板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、青板ガラスや、アルミナ等のセラミックス等の絶縁材料から適宜選択される。また絶縁部材２は、ＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4などの絶縁材料を、スパッタ法やＣＶＤ法などの一般的な方法で基板１上に成膜した後に、フォトリソグラフィ等を用いてパターニングすることによって形成することができる。絶縁部材２の厚さ（Ｚ方向の高さ）は５０ｎｍ乃至５ｍｍの範囲で形成される。
【００１４】
この絶縁部材２の側面２ａにカソード４及びゲート５を形成するが、そのためには蒸着法、スパッタ法等の一般的な真空成膜技術、及びフォトリソグラフィ技術などを用いることができる。ゲート５及びカソード４の材料としては、例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，ＨＦ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等の金属または合金材料、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣ等の炭化物が挙げられる。また、ＨｆＢ2，ＺｒＢ2，ＣｅＢ7，Ｙｂ5，ＧｄＢ5等の硼化物、Ｔｉｎ，ＺｒＮ、ＨｆＮ等の窒化物、Ｓｉ，Ｇｅ等の半導体、有機高分子材料なども挙げられる。さらに、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が適宜選択される。カソード４とゲート５は同種の材料で形成しても良いし、異種材料を組み合わせて形成しても良い。また、ゲート５及びカソード４の厚さは、５０ｎｍ乃至５ｍｍの範囲で設定され、好ましくは５０ｎｍから５μｍの範囲で各々選択される。さらにゲート５とカソード４は、各々電源からの給電ライン６，７に接続されている。本例では、給電ライン６，７とカソード４，ゲート５とを同時に形成しても良い。
【００１５】
図２は、本発明の電子線装置を用いた画像表示装置の構成を模式的に示す図であり、図１におけるＹ方向から見た図に相当する。尚、図２においては、図１の給電ライン６，７は省略する。図中、１０は基板、１１はアノード、１２は発光部材である。
【００１６】
本発明の電子線装置においては、図２に示すように、Ｚ方向の延長上に、カソード４のＹ方向に平行な端辺に対して電子を加速するためのアノード１１が対向配置している。本例ではアノード１１は基板１から距離Ｈ離れて該基板１に対向配置している。また、絶縁部材２の側面２ａ上であって、アノード１１とカソード４との間に、Ｙ方向に平行な端辺を有するゲート５が配置している。本発明では、図２に示すように、Ｙ方向から見た際に、Ｚ方向においてカソード４，ゲート５，アノード１１がこの順で配置する。本発明の画像表示装置としては、図２に示すように、アノード１１に電子放出素子から放出された電子の衝突により発光する発光部材１２が積層される。図中、Ｖｇはゲート５とカソード４の間に印加される電圧を、Ｉｆはこの時流れる素子電流を、Ｖａはカソード４とアノード１１の間に印加される電圧、及びＩｅは電子放出素子からアノード１１へ流れる電子放出電流をそれぞれ意味する。
【００１７】
本発明においては、図１（ｂ）、（ｃ）から明らかなように、アノード１１へのゲート５の正射影がカソード４の正射影と重ならないことを特徴とする。言い換えれば、従来はアノード１１への正射影が互いに重複するように対向配置していたカソード４とゲート５とが互いにＹ方向にずれて配置している。以下に、係る構成による作用効果について説明する。
【００１８】
本発明の電子線装置の駆動時においては、ゲート５とカソード４との間に電圧Ｖｇを印加することにより、カソード４の表面に電界が誘起される。図３は図１の電子放出素子のゲート５及びカソード４の一部を拡大した模式図であり、両電極間に電圧Ｖｇが印加された時の等電位線の様子を模式的に示したものである。図３に示されるように、ゲート５及びカソード４の近接点で最も等電位線の密度が高く、近接点近傍の電極端部に電界が集中する。ここで、カソード４の表面の電界強度がある閾値を超えると、カソード４の表面からトンネリングにより電子が放出される。電子放出するための電界強度の閾値は電極の材料や、表面の形状等の条件で変化するが、おおよそ１×１０9Ｖ／ｍ以上の値である。本発明に係る電子放出素子においては、ゲート５とカソード４との間に電圧Ｖｇを印加した場合に、カソード４のゲート５に近い端部において電界が最も強くなるため、係る端部から電子放出が生じる。
【００１９】
カソード４の端部から放出された電子は、加速されながら飛翔し、一部は直接アノード１１に衝突し、また一部はゲート５の表面に衝突する。ゲート５に衝突した電子のうち一部はゲート５に吸収されるが、残りの電子はゲート５表面で等方的に散乱される。散乱された電子のうちの一部は再びゲート５表面に衝突するが、一部はアノード１１へ向けて飛翔し、アノード１１に到達する。電子放出素子から直接、或いはゲート５で散乱された後にアノード１１に到達した電子は、例えば図２に示すような画像表示装置においては、発光部材を発光させて、画像を形成するために用いられる。
【００２０】
カソード４から放出された電子のうち、アノード１１へ到達した電子の割合Ｉｅ／（Ｉｆ＋Ｉｅ）を、電子の放出効率ηとすると、放出効率ηはゲート５での散乱回数に強く依存している。電子の放出効率ηは高いほど望ましいが、そのためにはできるだけ散乱回数が少ないことが好ましい。即ち、電子放出素子から直接アノード１１へ到達する場合が最も効率ηが高くなり、ゲート５に衝突する場合はより少ない散乱回数でアノード１１へ到達することが望ましい。
【００２１】
ゲート５での散乱回数は、カソード４から飛翔してきた電子が最初に散乱される位置によって大きく変化する。ここで図４を用いてゲート５での衝突位置により散乱回数に差が生じる原因を説明する。図４（ａ）に示すように、アノード１１に対する正射影が、カソード４とゲート５とで重なる場合、ゲート５の下面（カソード４に対向する面）で散乱された電子は、電界による電子の軌道を遮る形でゲート５が存在するため、何度もゲート５に衝突しやすくなる。一方、図４（ｂ）に示すように、アノード１１に対する正射影がカソード４とゲート５で重ならない場合、ゲート５の側面（Ｙ方向に向いた面）に衝突した電子は、アノード１１へ向けて加速されるため、少数回の散乱でアノード１１に到達しやすい。
【００２２】
以上より、電子の放出効率ηを向上させるためには、第１にゲート５に衝突することなく直接アノード１１へ到達する電子を増やすこと、第２にゲート５の側面に最初に衝突する電子を増やすことが重要となる。
【００２３】
本発明においては、アノード１１への正射影が互いに重ならないように、ゲート５とカソード４を互いにＹ方向にずらせる（オフセットする）ことによって、カソード４の電子放出位置とアノード１１との間にゲート５が存在しない構成となっている。そのため、ゲート５の下面に衝突する電子が大幅に減少し、ゲート５に衝突することなく直接アノード１１へ到達する電子が増加する。この作用により電子放出効率の大幅な向上を実現することができる。
【００２４】
ここでゲート５とカソード４のオフセット量は大きいほどアノード１１へ直接到達する電子数が増加するため、効率が向上する。しかしながら、ゲート５とカソード４との距離が離れると、必要な電界強度を得るためのＶｇが高くなってしまう。よって、係る距離は実際の電子線装置の駆動条件によって適宜選択される。
【００２５】
本発明において、ゲート５とカソード４とはそれぞれ少なくとも１個形成されるが、ゲート５とカソード４は必ずしも各々同数の１対で形成される必要は無く、図５に示すように両者が異なる数で形成される場合もある。例えば図５（ａ）に示すように２つのゲート５で挟むように１つのカソード４を配置したり、逆に（ｂ）に示すように１つのゲート５の両側にカソード４を配置しても良い。前者はカソード４の両端部を電子放出部として利用できることから、電子放出部を高密度に配置させる場合に有利である。また後者はカソード４当たりの電流量を抑制できることから、電極の耐久性等の点で有利である。さらには（ｃ）乃至（ｅ）に示すように（ａ）、（ｂ）の組み合わせにより、任意の複数のゲート５とカソード４を配置して、電子放出素子を形成しても良い。
【００２６】
本発明に係るゲート５及びカソード４の形状は短冊状であるが、係るゲート５及びカソード４を給電ライン６，７と連絡する際に、別途電極を介在させても良く、係る電極とゲート５、カソード４との全体形状が短冊状とならなくても構わない。
【００２７】
ゲート５とカソード４は前述したように絶縁性基板１上に形成された絶縁部材２の側面２ａに形成される。この絶縁部材２の側面２ａは、絶縁性基板１上に絶縁膜を成膜した後に、フォトリソグラフィ等の技術を用いて該絶縁膜をパターニングすることによって形成することができる。その際、図６（ａ）に示すように島状に絶縁部材２を残しても良いし、或いは、図７（ｂ）に示すように絶縁部材２に貫通孔（凹部）２ｂを形成し、その内壁面をカソード４，ゲート５を配置する側面２ａとして利用しても良い。島状部或いは凹部の断面形状は正方形や円形や星型、長方形や長円形といった様々な形態をとることができる。さらにはそれらを組み合わせて、複数の島状部や凹部からなる領域を形成しても良く、必要な数のゲート５とカソード４を形成できるだけの壁面を形成すればよい。
【００２８】
さらに、電子放出素子においては、例えば駆動信号の高周波化や、低消費電力化といった課題に対応するために、その静電容量を削減することが求められている。一方、特に画像表示装置等においては、高いコントラスト比を得るために、より低い駆動電圧での駆動が必要である。よって、そうした条件下で必要な電界強度を得るためには、ゲート５とカソード４との間の距離を近づける必要があり、その結果として静電容量が増加してしまうという問題を抱えている。
【００２９】
本発明の電子線装置は、ゲート４とカソード５がＹ方向にずれた構造をとっているため、両電極間に生じる静電容量を大幅に減少することが可能であり、電子放出効率の向上と静電容量の削減という２つの課題に対して、好適な効果を同時に実現することができる。
【００３０】
（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態について説明する。
【００３１】
図７は第２の実施形態における電子放出素子の構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図（Ｘ方向から見た図）、（ｃ）は平面図（Ｚ方向から見た図）である。図７において、２ａ乃至２ｃは絶縁層であり、図１の装置と同じ部材には同じ符号を付した。
【００３２】
本例は、図１における絶縁部材２が側面２ａにＹ方向に延びる凹部を有し、ゲート５のＹ方向に平行な端辺とカソード４のＹ方向に平行な端辺とが、該凹部の相対する縁にそれぞれ沿って配置している以外は図１の装置と同様の構成である。また、本例では、絶縁部材２に凹部を形成するため、該絶縁部材２を絶縁層２ｃ乃至２ｅの３層構成としているが、本例はこれに限定されず、図１に示した絶縁部材２に凹部を形成しても良い。
【００３３】
絶縁層２ｃ乃至２ｅはいずれも、ＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4等の絶縁材料をスパッタ法等の一般的な真空成膜法、ＣＶＤ法、真空蒸着法等によって形成される。絶縁層２ｃの厚さは５ｎｍから５０μｍの範囲で設定され、好ましく５０ｎｍから５００ｎｍの範囲で選択される。絶縁層２ｄの厚さは５ｎｍから５００ｎｍの範囲で設定され、好ましくは５ｎｍから３０ｎｍの範囲で選択される。また、絶縁層２ｅの厚さは、５ｎｍから５０μｍの範囲で設定され、好ましくは５０ｎｍから５００ｎｍの範囲で選択される。ここで、絶縁層２ｄは、絶縁層２ｃや２ｅに対して、あるエッチャントにより選択的にエッチングできる材料であることが好ましい。また、絶縁層２ｅは絶縁層２ｄとのエッチング時の選択性を考慮して選択することが好ましく、絶縁層２ｃと同じ材料で形成しても良い。係る絶縁層２ａ乃至２ｄからなる絶縁部材２の形成方法について説明する。
【００３４】
絶縁性基板１上に、絶縁膜２１乃至２３をスパッタ法等の一般的な真空成膜法、ＣＶＤ法、真空蒸着法等によって順次成膜し〔図８（ａ）〕、フォトリソグラフィ技術等を用いて積層膜をパターニングすることにより、側面２ａを有する絶縁部材２を形成する。具体的には、例えばフォトレジストのスピンコーティング、マスクパターンの露光及び現像を行い、ウェットエッチング或いはドライエッチングで３層の積層膜を取り除くことによって絶縁層２ｃ乃至２ｅからなる絶縁部材２が形成される〔図８（ｂ）〕。このエッチング工程においては、平滑なエッチング面が形成されることが好ましく、それぞれの層の材料に応じてエッチング方法を選択すればよい。また絶縁部材２は絶縁性基板１上に島状に積層膜を残すことで形成しても良いし、積層膜に貫通孔を形成しその内壁面を用いるようにしても良い。
【００３５】
次いで、絶縁層２ｄの側面を、絶縁層２ｃ、２ｅの側面よりも凹んだ位置にあるように、ウェットエッチング等の技術を用いて後退させて、凹部２５を形成する〔図８（ｃ）〕。
【００３６】
エッチングの方法としては、例えば絶縁層２ｃの材料としてＳｉＯ2、絶縁層２ｅの材料としてＰＳＧ（リン酸１０％）、絶縁層２ｄの材料として２ｃと同じくＳｉＯ2を選択する。この場合、エッチャントとしてＨＦ（４８％）：ＮＨ4Ｆ（４０％）＝１：１０の割合の溶液を純水で１％に希釈した物を用いてエッチングすると、絶縁層２ｅが選択的にエッチングされ、絶縁層２ｄの側面のみが後退して、凹部２５が形成される。
【００３７】
この他、例えば絶縁層２ｃ，２ｅとしてＳｉ3Ｎ4を、絶縁層２ｄとしてＳｉＯ2を選択し、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）でエッチングすることによっても同様の形状を形成することが出来るなど、各層の材料とエッチャントを適宜選択すればよい。また、凹部２５は絶縁部材２を形成するエッチングの過程で同時に形成することも可能である。
【００３８】
凹部２５を形成した後に、凹部２５を有する側面２ａにゲート５及びカソード４を形成する。ゲート５及びカソード４は、導電性の薄膜をスパッタや蒸着等の方法で成膜した後に、フォトリソグラフィ等の技術を用いてパターニングすることで形成することができる。この時、本発明の電子線装置においては、第１の実施形態と同様に、ゲート５とカソード４が、アノード１１に正射影した時に、互いに重複しないようにオフセットして配置する。
【００３９】
ここで本例の電子線装置においては、凹部２５が形成されることにより、ゲート５とカソード４が凹部２５で分断され、その結果、電子放出部となる微小な間隙が、自動的に形成される。そして、ゲート５及びカソード４は、それぞれ電源からの給電ライン６，７に接続されており、所定の電圧がゲート５とカソード６との間に印加されることで、係る間隙に高電界が生じ、カソードから電子が放出される。凹部２５はこのように、電子放出部となる間隙を自動的に形成するだけでなく、ゲート５とカソード４との間の沿面距離を長くすることにより、電子線装置の駆動時に両電極間を流れるリーク電流を低減させ、電子放出効率を増加させる効果もある。
【００４０】
凹部２５の深さ（Ｘ方向の長さ）としては、深くなるほどリーク電流の減少効果が高くなり望ましいが、一方で深くなり過ぎると凹部２５の上部の絶縁層２ｅが変形、或いは崩れ落ちる可能性があるため、そうした点を考慮して適宜設定される。
【００４１】
次に本発明の電子線装置を用いた画像表示装置について説明する。前記したように、本発明の画像表示装置は、本発明の電子線装置のアノードに発光部材を配置してなるが、この時、本発明に係る電子放出素子を基板上に複数個配列して電子源とし、複数画素を構成して画像表示を行うことができる。
【００４２】
一般的に、画像表示装置においては、電子放出素子をＸ方向及びＹ方向に行列状に複数個配置する。そして、同じ行に配置された複数の電子放出素子のカソード４或いはゲート５をＸ方向の配線に共通に接続し、同じ列に配置された電子放出素子のゲート５或いはカソード４をＹ方向の配線に共通に接続する、いわゆる単純マトリクス配置を採用することが出来る。
【００４３】
本発明にかかる電子放出素子においては、ゲート５とカソード４との間に閾値電圧以上の電圧を印加することにより電子が放出される。放出される電子の量は、電極間に印加するパルス状電圧の波高値とパルス幅とで制御される。一方、閾値電圧以下ではほとんど電子が放出されないため、Ｘ方向配線及びＹ方向配線に対してパルス状の信号を印加することで、必要な電子放出素子を選択して、電子放出量の制御を行うことが出来る。
【００４４】
次に、このような単純マトリクス配置の電子源を用いて構成した電子線装置について、図９を用いて説明する。図９は本発明の電子線装置を用いた画像表示装置の表示パネルの一例を示す模式図である。図９において、３１は電子放出素子を複数配した電子源基体（図１の基板１に相当）、４１は電子源基体３１を固定したリアプレートである。４６はガラス基板４３（図２の基板１０に相当）の内面に発光部材１２として蛍光膜４４とアノード１１としてのメタルバック４５等が形成されたフェースプレートである。また、４２は支持枠であり、この支持枠４２には、リアプレート４１、フェースプレート４６がフリットガラス等の封止部材を用いて接続されている。４７は外囲器であり、例えば大気中或いは、窒素中で、４００乃至５００℃の温度範囲で１０分以上焼成することで、封着して構成される。また、３４は、図１における電子放出素子に相当するものであり、３２，３３は、電子放出素子のカソード４及びゲート５に接続されたＸ方向配線及びＹ方向配線（図１の給電ライン６，７に相当）である。外囲器４７は、上述の通り、フェースプレート４６、支持枠４２、リアプレート４１で構成される。ここで、リアプレート４１は主に基体３１の強度を補強する目的で設けられるため、基体３１自体で十分な強度を持つ場合には、基体３１に直接支持枠４２を接続し、フェースプレート４６，支持枠４２及び基体３１で外囲器４７を構成しても良い。さらに必要に応じて、フェースプレート４６とリアプレート４１との間に、スペーサ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持つ外囲器４７を構成することもできる。
【００４５】
係る表示パネルにおいては、Ｘ方向配線３２、Ｙ方向配線３３に、それぞれ走査信号、変調信号、またメタルバック４５への高電圧印加により、放出された電子を加速して蛍光体へと照射することによって、画像表示を実現する。
【００４６】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、本発明の目的を達成するものであれば各構成要素が代用物や均等物に置換されたものであってもよい。
【実施例】
【００４７】
以下に具体的な実施例を挙げて本発明を詳しく説明する。尚、本発明がこれら実施例の形態に限定されるものではない。
【００４８】
（実施例１）
［電子放出素子作製］
図１に示した電子放出素子を備えたリアプレート４１を作製した。尚、給電ライン６，７は走査配線、信号配線とし、信号配線である給電ライン７は基板１に溝を形成し、埋め込み配線とした。図１０に本例におけるリアプレート４１の作製工程を示す。図１０において、５２は基板１に設けられた溝部であり、図１と同じ部材には同じ符号を付した。
【００４９】
先ず、基板１にウェットエッチングにより溝部５２を形成した〔図１０（ａ）〕。その後めっき法にてＣｕを溝部５２に埋め込み、ケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）にて基板表面を平滑に成形することによって、走査配線７を形成した〔図１０（ｂ）〕。次いで全面に絶縁層５４としてＳｉ3Ｎ4膜を５００ｎｍの膜厚になるようスパッタ法で形成した。〔図１０（ｃ）〕。次に、フォトリソグラフィ工程で、フォトレジストをフォトマスクパターンで露光、現像し、走査配線７領域の露出用開口を持つ、レジストパターンを形成した。このレジストパターンをマスクとして、絶縁層５４のＳｉ3Ｎ4膜をＣＦ4系のガスを用いてＲＩＥでエッチングすることで走査配線７上のＳｉ3Ｎ4膜を除去した。また同時に、絶縁部材２を形成した。〔図１０（ｄ）〕。続いて、リフトオフ用パターンをフォトレジストで形成し、スパッタ法でＣｕ膜を成膜、リフトオフにてパターニングを行って信号配線６を形成した〔図１０（ｅ）〕。
【００５０】
最後に、ゲート５及びカソード４を形成し、それぞれ、信号配線６，走査配線７に接続した〔図１０（ｆ）〕。当該工程では、先ずＥＢ斜方蒸着により厚さ１０ｎｍのＭｏを斜め４５°上方から選択的に堆積した。次に、フォトリソグラフィ工程で、フォトレジストをフォトマスクパターンで露光、現像し、ゲート５及びカソード４用のレジストパターンを櫛歯状に形成した。櫛歯はＹ方向において５μｍ幅で５μｍの間隔を空けて等間隔に形成し、ゲート用レジストパターンとカソード用レジストパターンは、正面方向から見て入れ子構造となるように形成した。その後、パターニングをしたフォトレジストをマスクとし、Ｍｏ膜をＣＦ4ガスを用いてドライエッチングして、ゲート５、カソード４を、それぞれ短冊形状に加工した。
【００５１】
［画像表示装置の作製］
上記電子放出素子の作製工程により、基板上に複数個の電子放出素子を作製し、図９に示すような画像表示装置を作製した。
【００５２】
先ず、基板４１の２ｍｍ上方にフェースプレート４６を、支持枠４２を介して真空中で封着し、外囲器４７を形成した。また、基板４１とフェースプレート４６との間には、厚さ２．０ｍｍ、幅２００μｍのスペーサ（不図示）を配置し、大気圧に耐えられる構造とした。本例において、使用したスペーサの本数は２本である。また、外囲器４７内には容器内の高真空を保つためのゲッター（不図示）を配置した。基板４１と支持枠４２とフェースプレート４６の接合にはインジウムを用いた。
【００５３】
（比較例１）
次に、比較例として、図１１に示す構造の電子放出素子を備えた画像表示装置を作製した。図１１において、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図（Ｘ方向から見た図）、（ｃ）は平面図（Ｚ方向から見た図）である。本例は、アノードへの正射影がカソード４とゲート５とで一部重なっている以外は実施例１と同じ構成である。ゲートは実施例１と同様にして、カソードのＹ方向の幅が６μｍでカソードとゲートの重複領域が０．５μｍの電子放出素子を作製し、画像表示装置を構成した。それ以外の作製方法は実施例１と同様であるので説明を省略する。
【００５４】
（評価結果）
以上のようにして作製した画像表示装置において、カソード４とゲート５間に各配線を通じて電圧を印加した。更に高圧端子を通じて、フェースプレート４６のメタルバック４５に電圧を印加して、画像を表示した。この時、信号配線（Ｙ方向配線４３）には０乃至＋１０Ｖ、走査配線（Ｘ方向配線４２）には０乃至−２０Ｖ、メタルバック４５には、５乃至１５ＫＶを印加した。この駆動条件で実施例１と比較例１の電子線装置のＩｆ及びＩｅを測定し、電子放出効率Ｉｅ／Ｉｆを求めた。測定は１００個の素子に対して行い、その平均値を比較した。またゲート５とカソード４間の静電容量を測定した。
【００５５】
実施例１の電子放出素子のＩｆは、１素子当たり２１０μＡとなり、比較例１の測定値と比べても、Ｉｆの値はほぼ変わらなかった。これに対し、Ｉｅの値は実施例１が１素子当たり１７μＡとなり、比較例１の測定値の８．４μＡの２倍程度となり、電子放出効率が２倍となっていることが確認された。さらに実施例１の電子放出素子においては、静電容量が１素子当たり０．３８ｐＦとなり、比較例１の測定値０．４４ｐＦと比べて、およそ１乃至２割小さくなっており、本発明の効果を確認することができた。
【００５６】
（実施例２）
電子放出素子の構成を、図２に示す凹部を備えた構成とした以外は実施例１と同様にして画像表示装置を作製した。尚、絶縁部材２は図８の工程で作製した。
【００５７】
実施例１と同様にして走査配線４を形成した基板１上に、スパッタ法により絶縁膜２１、２２、２３として厚さ５００ｎｍのＳｉ3Ｎ4膜、厚さ２０ｎｍのＳｉＯ2膜、厚さ５０ｎｍのＳｉ3Ｎ4膜を連続して堆積した〔図８（ａ）〕。次に、フォトリソグラフィ工程で、フォトレジストをフォトマスクパターンで露光、現像し、走査配線７領域の露出用開口を持つ、レジストパターンを形成した。その後、パターニングしたフォトレジストをマスクとして、絶縁膜２１，２２，２３を、ＣＦ4ガスを用いてドライエッチングして、基板１で停止させ、絶縁部材２を形成した〔図８（ｂ）〕。次に、絶縁部材２にＢＨＦをエッチング液として１１分間エッチングを施し、絶縁層２ｄを選択的にエッチングして、側面２ａから１００ｎｍ程度、絶縁層２ｄの側面を後退させ、凹部２５を形成した〔図８（ｃ）〕。その後、実施例１と同様の工程を行い、電子放出素子、さらには画像表示装置を作製した。
【００５８】
（比較例２）
比較例１と同様に、カソード４の幅が６μｍ、ゲートの重複領域が０．５μｍである以外は実施例２と同様の構成の電子放出素子を作製し、画像表示装置を構成した。
【００５９】
（評価結果）
以上のように構成された画像表示装置において、実施例１と同じ駆動条件で駆動し、電子放出素子のＩｆ及びＩｅを測定し、電子放出効率Ｉｅ／Ｉｆを求めた。測定は１００個の素子に対して行い、その平均値を比較した。またカソード４とゲート５間の静電容量を測定した。
【００６０】
その結果、実施例２の電子放出素子のＩｆは、１素子当たり２１０μＡとなり、比較例２の測定値と比べても、Ｉｆの値はほぼ変わらなかった。これに対し、実施例２のＩｅの値は１素子当たり２１μＡとなり、比較例２の測定値の１１μＡの２倍程度となり、電子放出効率が２倍となっていることが確認された。さらに実施例２の電子放出素子においては、静電容量が１素子当たり０．３４ｐＦとなり、比較例２の測定値０．３９ｐＦと比べて、およそ１乃至２割小さくなっており、本発明の効果を確認することができた。
【符号の説明】
【００６１】
１：基板 ２：絶縁部材 ４：カソード ５：ゲート １１：アノード １２：発光部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラットパネルディスプレイに用いられる、電子を放出する電子放出素子を備えた電子線装置と、該電子線装置を用いてなる画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、カソードとゲートとを近接して配置してなる電子放出素子と、該カソードから放出された電子を加速するためのアノードとを備えた電子線装置が知られている。係る電子線装置においては、アノードの後方に発光部材を配置しておき、カソードとゲート間に高電圧を印加して該カソードから電子を放出させ、該電子をアノードに衝突させて発光部材を発光させる。特許文献２には、簡易な構成で電子放出効率の高い電子放出素子とこれを備えた画像表示装置が開示されている。係る電子放出素子は、基板上の絶縁面に凹部を設けて、その凹部を挟んでカソードとゲートとを形成することで、カソードから電子放出を可能とする。そして係る文献には、寄生容量を低減せしめるために、絶縁層を厚くする構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１６７６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記した電子線装置を用いた画像表示装置において、消費電力の削減や高コントラスト比の実現のためには、より低い駆動電圧での駆動が望ましい。低駆動電圧で、電子放出に必要な電界強度を得るためには、ゲートとカソードとの間隔を小さくすることが必要となる。しかしながら、ゲートとカソード間の距離を小さくした場合、カソードから放出された電子がゲートに衝突することなどが原因で、アノードまで到達する確率（電子放出効率）が低くなることがわかっている。さらに、ゲートとカソードの間隔を小さくすることにより電子放出部の静電容量が増加してしまい、これにより、駆動波形のなまりやクロストークの発生、さらには充放電電流の増加に伴う消費電力の増加といった課題が同時に生じてしまう。
【０００５】
本発明の課題は、電子放出効率が高く、同時にゲートとカソード間の静電容量の小さな電子線装置を構成し、該電子線装置を用いて低消費電力で高コントラストの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】
【０００６】
本発明の第１は、第１の方向と、該第１の方向に直交する第２の方向とに平行な表面を有する絶縁部材と、
前記絶縁部材の前記表面に位置し、前記第１の方向に平行な端辺を有する少なくとも１個の短冊状のカソードと、
前記第２の方向の延長上に位置し、該カソードの第１の方向に平行な端辺に対向配置するアノードと、
前記絶縁部材の前記表面上であって、前記アノードと前記カソードとの間に位置し、前記第１の方向に平行な端辺を有する少なくとも１個の短冊状のゲートと、を有し、
前記アノードへの、ゲートの正射影がカソードの正射影と重ならないことを特徴とする電子線装置である。
【０００７】
本発明の第２は、本発明の第１の電子線装置と、前記アノードに積層して位置する発光部材とを有することを特徴とする画像表示装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の電子線装置においては、ゲートとカソードとが特定の配置で構成されているため、電子放出効率が向上すると同時に静電容量が減少する。よって、係る電子線装置を用いた本発明の画像表示装置においては、消費電力が低減すると同時に高コントラストを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の電子線装置の一実施形態の電子放出素子を示す模式図である。
【図２】本発明の電子線装置の一実施形態の模式図である。
【図３】図１に示した電子放出素子のゲートとカソードの部分拡大図である。
【図４】本発明に係る電子放出素子のゲートでの電子の散乱を示した模式図である。
【図５】本発明に係る電子放出素子のゲートとカソードの配置例を示した模式図である。
【図６】本発明に係る電子放出素子の絶縁部材の形状を示した模式図である。
【図７】本発明の電子線装置の他の実施形態の電子放出素子の模式図である。
【図８】図７の電子放出素子の製造工程を示した模式図である。
【図９】本発明の画像表示装置の一実施形態の構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の実施例に係る電子放出素子の製造工程を示した模式図である。
【図１１】本発明の比較例に係る電子放出素子の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の電子線装置はカソードとゲートとを絶縁部材とを備えた電子放出素子と、該電子放出素子から放出された電子を衝突させるアノードとを備えたものである。また、本発明の画像表示装置は、上記本発明の電子線装置と、該電子線装置のアノードに発光部材を配置してなるものである。以下、本発明の電子線装置及び画像表示装置について、実施形態を挙げて説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は本発明の電子線装置の一実施形態の電子放出素子を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図（Ｘ方向から見た図）、（ｃ）は平面図（Ｚ方向から見た図）である。尚、以下の説明においては、便宜上、本発明に係る第１の方向をＹ方向、第２の方向をＺ方向とし、該第１及び第２の方向に直交する方向をＸ方向とする。図中、１は絶縁性基板、２は絶縁部材、２ａは絶縁部材の側面、４はカソード、５はゲート、６はゲートへの給電ライン、７はカソードへの給電ラインである。
【００１２】
本発明に係る電子放出素子の基本構成は、絶縁部材２とカソード４、ゲート５であり、カソード４とゲート５とは絶縁部材２のＹ方向及びＺ方向に平行な表面（本例では側面）２ａに配置されている。カソード４及びゲート５はそれぞれ、Ｙ方向に平行な端辺を有し、互いに該端辺が絶縁部材２の表面上で近接して配置している。通常、係る素子は絶縁性基板１上に形成される。尚、本例においては、絶縁性基板１はＸ方向及びＹ方向に平行な表面（ＸＹ表面）を有し、カソード４及びゲート５が配置された絶縁部材２の側面２ａはＸＹ表面に直交している。しかしながら、本発明ではこれに限定されるものではなく、側面２ａが絶縁性基板１の表面に対して傾いて形成されていても良い。
【００１３】
絶縁性基板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、青板ガラスや、アルミナ等のセラミックス等の絶縁材料から適宜選択される。また絶縁部材２は、ＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4などの絶縁材料を、スパッタ法やＣＶＤ法などの一般的な方法で基板１上に成膜した後に、フォトリソグラフィ等を用いてパターニングすることによって形成することができる。絶縁部材２の厚さ（Ｚ方向の高さ）は５０ｎｍ乃至５ｍｍの範囲で形成される。
【００１４】
この絶縁部材２の側面２ａにカソード４及びゲート５を形成するが、そのためには蒸着法、スパッタ法等の一般的な真空成膜技術、及びフォトリソグラフィ技術などを用いることができる。ゲート５及びカソード４の材料としては、例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，ＨＦ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等の金属または合金材料、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣ等の炭化物が挙げられる。また、ＨｆＢ2，ＺｒＢ2，ＣｅＢ7，Ｙｂ5，ＧｄＢ5等の硼化物、Ｔｉｎ，ＺｒＮ、ＨｆＮ等の窒化物、Ｓｉ，Ｇｅ等の半導体、有機高分子材料なども挙げられる。さらに、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が適宜選択される。カソード４とゲート５は同種の材料で形成しても良いし、異種材料を組み合わせて形成しても良い。また、ゲート５及びカソード４の厚さは、５０ｎｍ乃至５ｍｍの範囲で設定され、好ましくは５０ｎｍから５μｍの範囲で各々選択される。さらにゲート５とカソード４は、各々電源からの給電ライン６，７に接続されている。本例では、給電ライン６，７とカソード４，ゲート５とを同時に形成しても良い。
【００１５】
図２は、本発明の電子線装置を用いた画像表示装置の構成を模式的に示す図であり、図１におけるＹ方向から見た図に相当する。尚、図２においては、図１の給電ライン６，７は省略する。図中、１０は基板、１１はアノード、１２は発光部材である。
【００１６】
本発明の電子線装置においては、図２に示すように、Ｚ方向の延長上に、カソード４のＹ方向に平行な端辺に対して電子を加速するためのアノード１１が対向配置している。本例ではアノード１１は基板１から距離Ｈ離れて該基板１に対向配置している。また、絶縁部材２の側面２ａ上であって、アノード１１とカソード４との間に、Ｙ方向に平行な端辺を有するゲート５が配置している。本発明では、図２に示すように、Ｙ方向から見た際に、Ｚ方向においてカソード４，ゲート５，アノード１１がこの順で配置する。本発明の画像表示装置としては、図２に示すように、アノード１１に電子放出素子から放出された電子の衝突により発光する発光部材１２が積層される。図中、Ｖｇはゲート５とカソード４の間に印加される電圧を、Ｉｆはこの時流れる素子電流を、Ｖａはカソード４とアノード１１の間に印加される電圧、及びＩｅは電子放出素子からアノード１１へ流れる電子放出電流をそれぞれ意味する。
【００１７】
本発明においては、図１（ｂ）、（ｃ）から明らかなように、アノード１１へのゲート５の正射影がカソード４の正射影と重ならないことを特徴とする。言い換えれば、従来はアノード１１への正射影が互いに重複するように対向配置していたカソード４とゲート５とが互いにＹ方向にずれて配置している。以下に、係る構成による作用効果について説明する。
【００１８】
本発明の電子線装置の駆動時においては、ゲート５とカソード４との間に電圧Ｖｇを印加することにより、カソード４の表面に電界が誘起される。図３は図１の電子放出素子のゲート５及びカソード４の一部を拡大した模式図であり、両電極間に電圧Ｖｇが印加された時の等電位線の様子を模式的に示したものである。図３に示されるように、ゲート５及びカソード４の近接点で最も等電位線の密度が高く、近接点近傍の電極端部に電界が集中する。ここで、カソード４の表面の電界強度がある閾値を超えると、カソード４の表面からトンネリングにより電子が放出される。電子放出するための電界強度の閾値は電極の材料や、表面の形状等の条件で変化するが、おおよそ１×１０9Ｖ／ｍ以上の値である。本発明に係る電子放出素子においては、ゲート５とカソード４との間に電圧Ｖｇを印加した場合に、カソード４のゲート５に近い端部において電界が最も強くなるため、係る端部から電子放出が生じる。
【００１９】
カソード４の端部から放出された電子は、加速されながら飛翔し、一部は直接アノード１１に衝突し、また一部はゲート５の表面に衝突する。ゲート５に衝突した電子のうち一部はゲート５に吸収されるが、残りの電子はゲート５表面で等方的に散乱される。散乱された電子のうちの一部は再びゲート５表面に衝突するが、一部はアノード１１へ向けて飛翔し、アノード１１に到達する。電子放出素子から直接、或いはゲート５で散乱された後にアノード１１に到達した電子は、例えば図２に示すような画像表示装置においては、発光部材を発光させて、画像を形成するために用いられる。
【００２０】
カソード４から放出された電子のうち、アノード１１へ到達した電子の割合Ｉｅ／（Ｉｆ＋Ｉｅ）を、電子の放出効率ηとすると、放出効率ηはゲート５での散乱回数に強く依存している。電子の放出効率ηは高いほど望ましいが、そのためにはできるだけ散乱回数が少ないことが好ましい。即ち、電子放出素子から直接アノード１１へ到達する場合が最も効率ηが高くなり、ゲート５に衝突する場合はより少ない散乱回数でアノード１１へ到達することが望ましい。
【００２１】
ゲート５での散乱回数は、カソード４から飛翔してきた電子が最初に散乱される位置によって大きく変化する。ここで図４を用いてゲート５での衝突位置により散乱回数に差が生じる原因を説明する。図４（ａ）に示すように、アノード１１に対する正射影が、カソード４とゲート５とで重なる場合、ゲート５の下面（カソード４に対向する面）で散乱された電子は、電界による電子の軌道を遮る形でゲート５が存在するため、何度もゲート５に衝突しやすくなる。一方、図４（ｂ）に示すように、アノード１１に対する正射影がカソード４とゲート５で重ならない場合、ゲート５の側面（Ｙ方向に向いた面）に衝突した電子は、アノード１１へ向けて加速されるため、少数回の散乱でアノード１１に到達しやすい。
【００２２】
以上より、電子の放出効率ηを向上させるためには、第１にゲート５に衝突することなく直接アノード１１へ到達する電子を増やすこと、第２にゲート５の側面に最初に衝突する電子を増やすことが重要となる。
【００２３】
本発明においては、アノード１１への正射影が互いに重ならないように、ゲート５とカソード４を互いにＹ方向にずらせる（オフセットする）ことによって、カソード４の電子放出位置とアノード１１との間にゲート５が存在しない構成となっている。そのため、ゲート５の下面に衝突する電子が大幅に減少し、ゲート５に衝突することなく直接アノード１１へ到達する電子が増加する。この作用により電子放出効率の大幅な向上を実現することができる。
【００２４】
ここでゲート５とカソード４のオフセット量は大きいほどアノード１１へ直接到達する電子数が増加するため、効率が向上する。しかしながら、ゲート５とカソード４との距離が離れると、必要な電界強度を得るためのＶｇが高くなってしまう。よって、係る距離は実際の電子線装置の駆動条件によって適宜選択される。
【００２５】
本発明において、ゲート５とカソード４とはそれぞれ少なくとも１個形成されるが、ゲート５とカソード４は必ずしも各々同数の１対で形成される必要は無く、図５に示すように両者が異なる数で形成される場合もある。例えば図５（ａ）に示すように２つのゲート５で挟むように１つのカソード４を配置したり、逆に（ｂ）に示すように１つのゲート５の両側にカソード４を配置しても良い。前者はカソード４の両端部を電子放出部として利用できることから、電子放出部を高密度に配置させる場合に有利である。また後者はカソード４当たりの電流量を抑制できることから、電極の耐久性等の点で有利である。さらには（ｃ）乃至（ｅ）に示すように（ａ）、（ｂ）の組み合わせにより、任意の複数のゲート５とカソード４を配置して、電子放出素子を形成しても良い。
【００２６】
本発明に係るゲート５及びカソード４の形状は短冊状であるが、係るゲート５及びカソード４を給電ライン６，７と連絡する際に、別途電極を介在させても良く、係る電極とゲート５、カソード４との全体形状が短冊状とならなくても構わない。
【００２７】
ゲート５とカソード４は前述したように絶縁性基板１上に形成された絶縁部材２の側面２ａに形成される。この絶縁部材２の側面２ａは、絶縁性基板１上に絶縁膜を成膜した後に、フォトリソグラフィ等の技術を用いて該絶縁膜をパターニングすることによって形成することができる。その際、図６（ａ）に示すように島状に絶縁部材２を残しても良いし、或いは、図７（ｂ）に示すように絶縁部材２に貫通孔（凹部）２ｂを形成し、その内壁面をカソード４，ゲート５を配置する側面２ａとして利用しても良い。島状部或いは凹部の断面形状は正方形や円形や星型、長方形や長円形といった様々な形態をとることができる。さらにはそれらを組み合わせて、複数の島状部や凹部からなる領域を形成しても良く、必要な数のゲート５とカソード４を形成できるだけの壁面を形成すればよい。
【００２８】
さらに、電子放出素子においては、例えば駆動信号の高周波化や、低消費電力化といった課題に対応するために、その静電容量を削減することが求められている。一方、特に画像表示装置等においては、高いコントラスト比を得るために、より低い駆動電圧での駆動が必要である。よって、そうした条件下で必要な電界強度を得るためには、ゲート５とカソード４との間の距離を近づける必要があり、その結果として静電容量が増加してしまうという問題を抱えている。
【００２９】
本発明の電子線装置は、ゲート４とカソード５がＹ方向にずれた構造をとっているため、両電極間に生じる静電容量を大幅に減少することが可能であり、電子放出効率の向上と静電容量の削減という２つの課題に対して、好適な効果を同時に実現することができる。
【００３０】
（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態について説明する。
【００３１】
図７は第２の実施形態における電子放出素子の構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図（Ｘ方向から見た図）、（ｃ）は平面図（Ｚ方向から見た図）である。図７において、２ａ乃至２ｃは絶縁層であり、図１の装置と同じ部材には同じ符号を付した。
【００３２】
本例は、図１における絶縁部材２が側面２ａにＹ方向に延びる凹部を有し、ゲート５のＹ方向に平行な端辺とカソード４のＹ方向に平行な端辺とが、該凹部の相対する縁にそれぞれ沿って配置している以外は図１の装置と同様の構成である。また、本例では、絶縁部材２に凹部を形成するため、該絶縁部材２を絶縁層２ｃ乃至２ｅの３層構成としているが、本例はこれに限定されず、図１に示した絶縁部材２に凹部を形成しても良い。
【００３３】
絶縁層２ｃ乃至２ｅはいずれも、ＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4等の絶縁材料をスパッタ法等の一般的な真空成膜法、ＣＶＤ法、真空蒸着法等によって形成される。絶縁層２ｃの厚さは５ｎｍから５０μｍの範囲で設定され、好ましく５０ｎｍから５００ｎｍの範囲で選択される。絶縁層２ｄの厚さは５ｎｍから５００ｎｍの範囲で設定され、好ましくは５ｎｍから３０ｎｍの範囲で選択される。また、絶縁層２ｅの厚さは、５ｎｍから５０μｍの範囲で設定され、好ましくは５０ｎｍから５００ｎｍの範囲で選択される。ここで、絶縁層２ｄは、絶縁層２ｃや２ｅに対して、あるエッチャントにより選択的にエッチングできる材料であることが好ましい。また、絶縁層２ｅは絶縁層２ｄとのエッチング時の選択性を考慮して選択することが好ましく、絶縁層２ｃと同じ材料で形成しても良い。係る絶縁層２ａ乃至２ｄからなる絶縁部材２の形成方法について説明する。
【００３４】
絶縁性基板１上に、絶縁膜２１乃至２３をスパッタ法等の一般的な真空成膜法、ＣＶＤ法、真空蒸着法等によって順次成膜し〔図８（ａ）〕、フォトリソグラフィ技術等を用いて積層膜をパターニングすることにより、側面２ａを有する絶縁部材２を形成する。具体的には、例えばフォトレジストのスピンコーティング、マスクパターンの露光及び現像を行い、ウェットエッチング或いはドライエッチングで３層の積層膜を取り除くことによって絶縁層２ｃ乃至２ｅからなる絶縁部材２が形成される〔図８（ｂ）〕。このエッチング工程においては、平滑なエッチング面が形成されることが好ましく、それぞれの層の材料に応じてエッチング方法を選択すればよい。また絶縁部材２は絶縁性基板１上に島状に積層膜を残すことで形成しても良いし、積層膜に貫通孔を形成しその内壁面を用いるようにしても良い。
【００３５】
次いで、絶縁層２ｄの側面を、絶縁層２ｃ、２ｅの側面よりも凹んだ位置にあるように、ウェットエッチング等の技術を用いて後退させて、凹部２５を形成する〔図８（ｃ）〕。
【００３６】
エッチングの方法としては、例えば絶縁層２ｃの材料としてＳｉＯ2、絶縁層２ｅの材料としてＰＳＧ（リン酸１０％）、絶縁層２ｄの材料として２ｃと同じくＳｉＯ2を選択する。この場合、エッチャントとしてＨＦ（４８％）：ＮＨ4Ｆ（４０％）＝１：１０の割合の溶液を純水で１％に希釈した物を用いてエッチングすると、絶縁層２ｅが選択的にエッチングされ、絶縁層２ｄの側面のみが後退して、凹部２５が形成される。
【００３７】
この他、例えば絶縁層２ｃ，２ｅとしてＳｉ3Ｎ4を、絶縁層２ｄとしてＳｉＯ2を選択し、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）でエッチングすることによっても同様の形状を形成することが出来るなど、各層の材料とエッチャントを適宜選択すればよい。また、凹部２５は絶縁部材２を形成するエッチングの過程で同時に形成することも可能である。
【００３８】
凹部２５を形成した後に、凹部２５を有する側面２ａにゲート５及びカソード４を形成する。ゲート５及びカソード４は、導電性の薄膜をスパッタや蒸着等の方法で成膜した後に、フォトリソグラフィ等の技術を用いてパターニングすることで形成することができる。この時、本発明の電子線装置においては、第１の実施形態と同様に、ゲート５とカソード４が、アノード１１に正射影した時に、互いに重複しないようにオフセットして配置する。
【００３９】
ここで本例の電子線装置においては、凹部２５が形成されることにより、ゲート５とカソード４が凹部２５で分断され、その結果、電子放出部となる微小な間隙が、自動的に形成される。そして、ゲート５及びカソード４は、それぞれ電源からの給電ライン６，７に接続されており、所定の電圧がゲート５とカソード６との間に印加されることで、係る間隙に高電界が生じ、カソードから電子が放出される。凹部２５はこのように、電子放出部となる間隙を自動的に形成するだけでなく、ゲート５とカソード４との間の沿面距離を長くすることにより、電子線装置の駆動時に両電極間を流れるリーク電流を低減させ、電子放出効率を増加させる効果もある。
【００４０】
凹部２５の深さ（Ｘ方向の長さ）としては、深くなるほどリーク電流の減少効果が高くなり望ましいが、一方で深くなり過ぎると凹部２５の上部の絶縁層２ｅが変形、或いは崩れ落ちる可能性があるため、そうした点を考慮して適宜設定される。
【００４１】
次に本発明の電子線装置を用いた画像表示装置について説明する。前記したように、本発明の画像表示装置は、本発明の電子線装置のアノードに発光部材を配置してなるが、この時、本発明に係る電子放出素子を基板上に複数個配列して電子源とし、複数画素を構成して画像表示を行うことができる。
【００４２】
一般的に、画像表示装置においては、電子放出素子をＸ方向及びＹ方向に行列状に複数個配置する。そして、同じ行に配置された複数の電子放出素子のカソード４或いはゲート５をＸ方向の配線に共通に接続し、同じ列に配置された電子放出素子のゲート５或いはカソード４をＹ方向の配線に共通に接続する、いわゆる単純マトリクス配置を採用することが出来る。
【００４３】
本発明にかかる電子放出素子においては、ゲート５とカソード４との間に閾値電圧以上の電圧を印加することにより電子が放出される。放出される電子の量は、電極間に印加するパルス状電圧の波高値とパルス幅とで制御される。一方、閾値電圧以下ではほとんど電子が放出されないため、Ｘ方向配線及びＹ方向配線に対してパルス状の信号を印加することで、必要な電子放出素子を選択して、電子放出量の制御を行うことが出来る。
【００４４】
次に、このような単純マトリクス配置の電子源を用いて構成した電子線装置について、図９を用いて説明する。図９は本発明の電子線装置を用いた画像表示装置の表示パネルの一例を示す模式図である。図９において、３１は電子放出素子を複数配した電子源基体（図１の基板１に相当）、４１は電子源基体３１を固定したリアプレートである。４６はガラス基板４３（図２の基板１０に相当）の内面に発光部材１２として蛍光膜４４とアノード１１としてのメタルバック４５等が形成されたフェースプレートである。また、４２は支持枠であり、この支持枠４２には、リアプレート４１、フェースプレート４６がフリットガラス等の封止部材を用いて接続されている。４７は外囲器であり、例えば大気中或いは、窒素中で、４００乃至５００℃の温度範囲で１０分以上焼成することで、封着して構成される。また、３４は、図１における電子放出素子に相当するものであり、３２，３３は、電子放出素子のカソード４及びゲート５に接続されたＸ方向配線及びＹ方向配線（図１の給電ライン６，７に相当）である。外囲器４７は、上述の通り、フェースプレート４６、支持枠４２、リアプレート４１で構成される。ここで、リアプレート４１は主に基体３１の強度を補強する目的で設けられるため、基体３１自体で十分な強度を持つ場合には、基体３１に直接支持枠４２を接続し、フェースプレート４６，支持枠４２及び基体３１で外囲器４７を構成しても良い。さらに必要に応じて、フェースプレート４６とリアプレート４１との間に、スペーサ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持つ外囲器４７を構成することもできる。
【００４５】
係る表示パネルにおいては、Ｘ方向配線３２、Ｙ方向配線３３に、それぞれ走査信号、変調信号、またメタルバック４５への高電圧印加により、放出された電子を加速して蛍光体へと照射することによって、画像表示を実現する。
【００４６】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、本発明の目的を達成するものであれば各構成要素が代用物や均等物に置換されたものであってもよい。
【実施例】
【００４７】
以下に具体的な実施例を挙げて本発明を詳しく説明する。尚、本発明がこれら実施例の形態に限定されるものではない。
【００４８】
（実施例１）
［電子放出素子作製］
図１に示した電子放出素子を備えたリアプレート４１を作製した。尚、給電ライン６，７は走査配線、信号配線とし、信号配線である給電ライン７は基板１に溝を形成し、埋め込み配線とした。図１０に本例におけるリアプレート４１の作製工程を示す。図１０において、５２は基板１に設けられた溝部であり、図１と同じ部材には同じ符号を付した。
【００４９】
先ず、基板１にウェットエッチングにより溝部５２を形成した〔図１０（ａ）〕。その後めっき法にてＣｕを溝部５２に埋め込み、ケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）にて基板表面を平滑に成形することによって、走査配線７を形成した〔図１０（ｂ）〕。次いで全面に絶縁層５４としてＳｉ3Ｎ4膜を５００ｎｍの膜厚になるようスパッタ法で形成した。〔図１０（ｃ）〕。次に、フォトリソグラフィ工程で、フォトレジストをフォトマスクパターンで露光、現像し、走査配線７領域の露出用開口を持つ、レジストパターンを形成した。このレジストパターンをマスクとして、絶縁層５４のＳｉ3Ｎ4膜をＣＦ4系のガスを用いてＲＩＥでエッチングすることで走査配線７上のＳｉ3Ｎ4膜を除去した。また同時に、絶縁部材２を形成した。〔図１０（ｄ）〕。続いて、リフトオフ用パターンをフォトレジストで形成し、スパッタ法でＣｕ膜を成膜、リフトオフにてパターニングを行って信号配線６を形成した〔図１０（ｅ）〕。
【００５０】
最後に、ゲート５及びカソード４を形成し、それぞれ、信号配線６，走査配線７に接続した〔図１０（ｆ）〕。当該工程では、先ずＥＢ斜方蒸着により厚さ１０ｎｍのＭｏを斜め４５°上方から選択的に堆積した。次に、フォトリソグラフィ工程で、フォトレジストをフォトマスクパターンで露光、現像し、ゲート５及びカソード４用のレジストパターンを櫛歯状に形成した。櫛歯はＹ方向において５μｍ幅で５μｍの間隔を空けて等間隔に形成し、ゲート用レジストパターンとカソード用レジストパターンは、正面方向から見て入れ子構造となるように形成した。その後、パターニングをしたフォトレジストをマスクとし、Ｍｏ膜をＣＦ4ガスを用いてドライエッチングして、ゲート５、カソード４を、それぞれ短冊形状に加工した。
【００５１】
［画像表示装置の作製］
上記電子放出素子の作製工程により、基板上に複数個の電子放出素子を作製し、図９に示すような画像表示装置を作製した。
【００５２】
先ず、基板４１の２ｍｍ上方にフェースプレート４６を、支持枠４２を介して真空中で封着し、外囲器４７を形成した。また、基板４１とフェースプレート４６との間には、厚さ２．０ｍｍ、幅２００μｍのスペーサ（不図示）を配置し、大気圧に耐えられる構造とした。本例において、使用したスペーサの本数は２本である。また、外囲器４７内には容器内の高真空を保つためのゲッター（不図示）を配置した。基板４１と支持枠４２とフェースプレート４６の接合にはインジウムを用いた。
【００５３】
（比較例１）
次に、比較例として、図１１に示す構造の電子放出素子を備えた画像表示装置を作製した。図１１において、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図（Ｘ方向から見た図）、（ｃ）は平面図（Ｚ方向から見た図）である。本例は、アノードへの正射影がカソード４とゲート５とで一部重なっている以外は実施例１と同じ構成である。ゲートは実施例１と同様にして、カソードのＹ方向の幅が６μｍでカソードとゲートの重複領域が０．５μｍの電子放出素子を作製し、画像表示装置を構成した。それ以外の作製方法は実施例１と同様であるので説明を省略する。
【００５４】
（評価結果）
以上のようにして作製した画像表示装置において、カソード４とゲート５間に各配線を通じて電圧を印加した。更に高圧端子を通じて、フェースプレート４６のメタルバック４５に電圧を印加して、画像を表示した。この時、信号配線（Ｙ方向配線４３）には０乃至＋１０Ｖ、走査配線（Ｘ方向配線４２）には０乃至−２０Ｖ、メタルバック４５には、５乃至１５ＫＶを印加した。この駆動条件で実施例１と比較例１の電子線装置のＩｆ及びＩｅを測定し、電子放出効率Ｉｅ／Ｉｆを求めた。測定は１００個の素子に対して行い、その平均値を比較した。またゲート５とカソード４間の静電容量を測定した。
【００５５】
実施例１の電子放出素子のＩｆは、１素子当たり２１０μＡとなり、比較例１の測定値と比べても、Ｉｆの値はほぼ変わらなかった。これに対し、Ｉｅの値は実施例１が１素子当たり１７μＡとなり、比較例１の測定値の８．４μＡの２倍程度となり、電子放出効率が２倍となっていることが確認された。さらに実施例１の電子放出素子においては、静電容量が１素子当たり０．３８ｐＦとなり、比較例１の測定値０．４４ｐＦと比べて、およそ１乃至２割小さくなっており、本発明の効果を確認することができた。
【００５６】
（実施例２）
電子放出素子の構成を、図２に示す凹部を備えた構成とした以外は実施例１と同様にして画像表示装置を作製した。尚、絶縁部材２は図８の工程で作製した。
【００５７】
実施例１と同様にして走査配線４を形成した基板１上に、スパッタ法により絶縁膜２１、２２、２３として厚さ５００ｎｍのＳｉ3Ｎ4膜、厚さ２０ｎｍのＳｉＯ2膜、厚さ５０ｎｍのＳｉ3Ｎ4膜を連続して堆積した〔図８（ａ）〕。次に、フォトリソグラフィ工程で、フォトレジストをフォトマスクパターンで露光、現像し、走査配線７領域の露出用開口を持つ、レジストパターンを形成した。その後、パターニングしたフォトレジストをマスクとして、絶縁膜２１，２２，２３を、ＣＦ4ガスを用いてドライエッチングして、基板１で停止させ、絶縁部材２を形成した〔図８（ｂ）〕。次に、絶縁部材２にＢＨＦをエッチング液として１１分間エッチングを施し、絶縁層２ｄを選択的にエッチングして、側面２ａから１００ｎｍ程度、絶縁層２ｄの側面を後退させ、凹部２５を形成した〔図８（ｃ）〕。その後、実施例１と同様の工程を行い、電子放出素子、さらには画像表示装置を作製した。
【００５８】
（比較例２）
比較例１と同様に、カソード４の幅が６μｍ、ゲートの重複領域が０．５μｍである以外は実施例２と同様の構成の電子放出素子を作製し、画像表示装置を構成した。
【００５９】
（評価結果）
以上のように構成された画像表示装置において、実施例１と同じ駆動条件で駆動し、電子放出素子のＩｆ及びＩｅを測定し、電子放出効率Ｉｅ／Ｉｆを求めた。測定は１００個の素子に対して行い、その平均値を比較した。またカソード４とゲート５間の静電容量を測定した。
【００６０】
その結果、実施例２の電子放出素子のＩｆは、１素子当たり２１０μＡとなり、比較例２の測定値と比べても、Ｉｆの値はほぼ変わらなかった。これに対し、実施例２のＩｅの値は１素子当たり２１μＡとなり、比較例２の測定値の１１μＡの２倍程度となり、電子放出効率が２倍となっていることが確認された。さらに実施例２の電子放出素子においては、静電容量が１素子当たり０．３４ｐＦとなり、比較例２の測定値０．３９ｐＦと比べて、およそ１乃至２割小さくなっており、本発明の効果を確認することができた。
【符号の説明】
【００６１】
１：基板 ２：絶縁部材 ４：カソード ５：ゲート １１：アノード １２：発光部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向と、該第１の方向に直交する第２の方向とに平行な表面を有する絶縁部材と、
前記絶縁部材の前記表面に位置し、前記第１の方向に平行な端辺を有する少なくとも１個の短冊状のカソードと、
前記第２の方向の延長上に位置し、該カソードの第１の方向に平行な端辺に対向配置するアノードと、
前記絶縁部材の前記表面上であって、前記アノードと前記カソードとの間に位置し、前記第１の方向に平行な端辺を有する少なくとも１個の短冊状のゲートと、を有し、
前記アノードへの、ゲートの正射影がカソードの正射影と重ならないことを特徴とする電子線装置。
【請求項２】
前記絶縁部材が前記表面に第１の方向に延びる凹部を有し、前記ゲートの第１の方向に平行な端辺と前記カソードの第１の方向に平行な端辺とが、該凹部の相対する縁にそれぞれ沿って配置している請求項１に記載の電子線装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電子線装置と、前記アノードに積層して位置する発光部材とを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１】
第１の方向と、該第１の方向に直交する第２の方向とに平行な表面を有する絶縁部材と、
前記絶縁部材の前記表面に位置し、前記第１の方向に平行な端辺を有する少なくとも１個の短冊状のカソードと、
前記第２の方向の延長上に位置し、該カソードの第１の方向に平行な端辺に対向配置するアノードと、
前記絶縁部材の前記表面上であって、前記アノードと前記カソードとの間に位置し、前記第１の方向に平行な端辺を有する少なくとも１個の短冊状のゲートと、を有し、
前記アノードへの、ゲートの正射影がカソードの正射影と重ならないことを特徴とする電子線装置。
【請求項２】
前記絶縁部材が前記表面に第１の方向に延びる凹部を有し、前記ゲートの第１の方向に平行な端辺と前記カソードの第１の方向に平行な端辺とが、該凹部の相対する縁にそれぞれ沿って配置している請求項１に記載の電子線装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電子線装置と、前記アノードに積層して位置する発光部材とを有す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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２４４９６０（Ｐ２０１０−２４４９６０Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９４７１６（Ｐ２００９−９４７１６）
【出願日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【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２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]