【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に膜を形成するための成膜装置、成膜方法および該成膜方法を用いた電子放出素子、電子源、画像形成装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、成膜装置としては、ＣＶＤ法やスパッタ法等を用いたものがあり、その手法としては、プラズマや熱、レーザ等を用いた成膜方法が挙げられる。それらの成膜装置、成膜方法の中で、Ｃａｔ−ＣＶＤやＨＦ−ＣＶＤと呼ばれる、高融点金属フィラメントを加熱し、基板上に所望の材料を堆積する手法がある。一例としては、Ｈｉｄｅｋｉ Ｍａｔｓｕｍｕｒａ，Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ａｂｓｔｒａｃｔ ｏｆ Ｏｐｅｎ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ Ｃａｔ−ＣＶＤ Ｐｒｏｊｅｃｔ，１９９９，ｐ１や、瀬高信雄、触媒２４巻、第六号、第４１４〜４１６項（１９８２年）に記載されている。
【０００３】
一方、電子放出材料に関しては、高融点炭素系電子放出膜はダイヤモンドやダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブ等の、炭素特有の性質を利用しようとしているものや、形状もしくは構造により電界集中させ、電子を低電界で真空に引き出す技術の研究開発が進められている。特に近年では平坦な膜から電子を出す技術として、ダイヤモンドライクカーボンは注目を集めている。
【０００４】
しかしながら、ダイヤモンドライクカーボン膜は、コンディショニングという特殊な工程を必要とされることが、例えば、Ｒ．Ｄ．Ｆｏｒｒｅｓｔ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌｕｍｅ ７３， Ｎｕｍｂｅｒ ２５， １９９８，ｐ３７３４に開示されている。
【０００５】
一方で、各種金属をダイヤモンドライクカーボン膜に入れ、この問題を回避しようという報告例が、Ｘ．Ｚ． Ｄｉｎｇ ｅｔ ａｌ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ａｐｐｌｉｅｄ ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌｕｍｅ ８８， Ｎｕｍｂｅｒ １１， ２０００， ｐ６８８や、Ｙ．Ｊ．Ｌｉ ｅｔ ａｌ． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌｕｍｅ ７７， Ｎｕｍｂｅｒ１３， ２０００，ｐ２０２１や、 Ｓ．Ｐ．Ｌａｕ ｅｔ ａｌ．，Ｄｉａｍｏｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， １０（２００１） ６２７−６３１や、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌｕｍｅ ８５， Ｎｕｍｂｅｒ ３， １ Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９９９， ｐ．１５０８などに開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電子デバイスや、電子放出膜等を高性能化する場合、膜に何らかの手法で機能を盛り込む必要がある。例えば、電子放出膜を画像形成装置に応用するには、蛍光体を十分な輝度で発光させる放出電流量が必要であり、また、大面積に均一にその機能を発現させなければならない。さらに、民生用ディスプレイ等では、製造コストの低減や製造方法の簡易さ等が重要である。
【０００７】
従来の成膜装置及び成膜方法としては、ＣＶＤ法やスパッタ法等が挙げられ、熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤ、Ｃａｔ−ＣＶＤ、ＨＦ−ＣＶＤ、ＲＦスパッタ、レーザアブレーション等で膜を形成している。これらの手法で形成された膜には、必要に応じて、燐やボロン等の不純物がドーピングされ、その手法としては、イオン注入法等が用いられている。
【０００８】
しかしながら、イオン注入法は、大面積に注入することが困難で、また製造コスト、スループット等に問題があった。また、製造装置内に不純物の混入源を設ける方法等も有るが、従来の手法では、制御性、均一性に問題があった。
【０００９】
一方、電子放出膜に関して説明すると、従来からＳｐｉｎｄｔ型と呼ばれる電子放出素子の研究がなされている。従来のＳｐｉｎｄｔ型の電子放出素子を図１３に示す。図１３において、１３１は基板、１３２はカソード電極層（低電位電極）、１３４は絶縁層、１３５はゲート電極層（高電位電極）、１３６はマイクロチップである。
【００１０】
しかしながら、Ｓｐｉｎｄｔ型素子においては、電子放出部が先鋭な構造を持つことから、電子ビームが広がり、例えば、高精細な画像形成装置には不利な構造である。さらに、電子放出部の形状を微細に制御、再現する事が困難であり、素子ごとに放出電流量のバラツキが生じる。その結果、例えば表示装置等の画像形成装置の電子源として応用した場合に、輝度ムラを引き起こし、非常に目障りな物となる。
【００１１】
上記の問題を解決する方法として、電子ビーム径を小さくする例としては、Ｓｐｉｎｄｔ型のようなマイクロチップを形成しない方法がある。たとえば、特開平８−９６７０３号公報、特開平８−９６７０４号公報、特開平８−２６４１０９号公報に記載された電子放出素子があり、図１４のような素子構造のものである。図１４において、１４１は基板、１４２はカソード電極、１４３は電子放出膜、１４４は絶縁層、１４５はゲート電極、１４６は孔である。
【００１２】
上記素子は孔１４６内に配置した薄膜（電子放出膜）１４３から電子を発生させるため、電子放出面上に平坦な等電位面が形成され電子ビームの広がりが小さくなるという利点がある。また、電子放出物質として低仕事関数の構成材料を使用することで、マイクロチップを形成しなくても電子放出が可能であり、低駆動電圧が図れる。また製造方法が比較的に簡易であるという利点もある。さらに、電子放出が面で行われるために、過度の電界の集中が起きないため素子の破壊がおこらず、長寿命である。
【００１３】
しかし、図１４のような素子構造では、電子放出部が平坦でありながら電子放出密度が多く、且つ低電界で電子放出を行う電子放出膜が必須となるが、そのような膜は得られていないのが実情である。この様な電子放出膜に関して、Ｘ．Ｚ． Ｄｉｎｇらのグループの報告（Ｙ．Ｊ．Ｌｉ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌｕｍｅ ７７， Ｎｕｍｂｅｒ１３， ２５ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０００， ｐ．２０２１）では多くの改善がなされ、良好な電子放出特性が得られているものの、ＦＣＶＡ法というイオン注入に近い手法を用いており、大面積化や製造コストの問題で生産上大きな課題がある。
【００１４】
成膜装置、成膜方法を以上のようなディスプレイ等の画像形成装置やその他の電子デバイスの製造に適用する場合、
（１）膜の大面積化
（２）膜の均一性
（３）低コスト
（４）製造プロセスの容易性
が要求されるが、従来の成膜装置、成膜方法ではこれらの要求を満足するものではなかった。
【００１５】
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、その主たる目的は、大面積に均一な高性能膜を低コストで形成することが可能な成膜装置、成膜方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために成された本発明の構成は、以下の通りである。
【００１７】
即ち、本発明は、基板上に膜を形成するための成膜装置であって、内部を真空に保持することのできるチャンバーと、該チャンバー内に配置された第１のフィラメントと第２のフィラメントとを有し、前記第１のフィラメントが、原料ガスを分解するためのフィラメントであり、前記第２のフィラメントが、当該フィラメントを構成する元素を、基板上に成膜される膜中に混入させるためのフィラメントであることを特徴とする成膜装置を提供する。
【００１８】
上記本発明の成膜装置は、更なる好ましい特徴として、
「前記第１および第２のフィラメントが、前記基板上面を覆うように配置されてなること」、
「前記第１および第２のフィラメントは、ほぼ同一平面上に配置されてなること」、
「前記第１のフィラメントはコイル状に配置されており、前記第２のフィラメントは、前記第１のフィラメントが形成するコイルの内部を通すように配置されてなること」、
「前記第１のフィラメントの電位に対して、前記基板の電位を高く設定する手段を有すること」、
「前記第１および第２のフィラメントは、前記基板を固定するための基板ホルダーと、制御電極との間に配置されており、前記制御電極に印加する電位を、前記第１および第２フィラメントに印加される電位よりも高く設定する手段と、前記基板に印加する電位を、前記第１および第２フィラメントに印加される電位よりも低く設定する手段とを有すること」、
「前記第１のフィラメントの電位に対して、前記第２のフィラメントの電位を高く設定する手段と、前記第１および第２のフィラメントの電位に対して、前記基板の電位を低く設定する手段とを有すること」、
「前記第２のフィラメントを構成する元素が、金属であること」、
「前記金属がＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏの中から選択されること」、
「前記第１のフィラメントから放出された電子は、前記チャンバー内に導入された炭化水素に由来するカーボン膜を前記基板上に堆積させること」、
を含む。
【００１９】
また本発明は、基板上に膜を形成する成膜方法であって、膜の原料となるガスを含む雰囲気中において、第１のフィラメントを加熱することで前記原料ガスを分解すると共に、第２のフィラメントを加熱することで該第２のフィラメントの構成元素を気化させる工程を有することを特徴とする成膜方法を提供する。
【００２０】
上記本発明の成膜方法は、更なる好ましい特徴として、
「前記第１のフィラメントから放出された電子が、成膜される基板に照射されること」、
「前記第１のフィラメントから放出された電子によってイオン化された前記原料ガスのイオンを、成膜される基板に照射すること」、
「前記原料となるガスが、炭化水素ガスであること」、
「前記第２のフィラメントから気化される元素が、金属であること」、
「前記金属がＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏの中から選択されること」、
「前記基板上に形成された膜を、加熱処理する工程を有すること」、
「前記加熱処理の方法が、前記第１および／又は第２のフィラメントの輻射熱を用いること」、
「前記加熱処理の工程が、少なくとも水素を含む雰囲気中で処理されること」、を含む。
【００２１】
また本発明は、基板上にカソード電極が形成され、該カソード電極上に電子放出膜を有する電子放出素子の製造方法において、前記電子放出膜を上記本発明の成膜方法で形成することを特徴とする電子放出素子の製造方法を提供する。
【００２２】
また本発明は、基板上に電子放出素子を多数配列してなる電子源の製造方法において、前記電子放出素子を上記本発明の電子放出素子の製造方法で製造することを特徴とする電子源の製造方法を提供する。
【００２３】
さらに本発明は、電子源と電子が照射されることで発光する発光部材とを有する画像形成装置の製造方法において、前記電子源を上記本発明の電子源の製造方法で製造することを特徴とする画像形成装置の製造方法を提供する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
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。
【００２５】
図１は本発明の最も基本的な構成の成膜装置を示す模式図である。１は真空チャンバー、２は基板ホルダー、３は基板、４は第１のフィラメント、５は第２のフィラメント、６，７はフィラメント加熱電源、８はガス導入口、９は真空排気機構である。本装置では、必要に応じて、基板加熱機構等を設けることができる。
【００２６】
本装置による成膜方法を説明する。先ず、真空チャンバー１内に原料ガスを導入する。そして、第１のフィラメント４を加熱し、原料ガスを分解して基板３上に所望の膜１０を堆積する。本発明においては、この膜１０を堆積する工程と同時に第２のフィラメント５を加熱し、該フィラメント５を構成す元素を必要な量だけ蒸発させ、膜１０内に第２のフィラメント５を構成する元素を混入させるものである。
【００２７】
さらに詳細に説明すると、第１のフィラメント４には一般的な高融点金属が用いられ、例えばＷやＴａ等から適宜最適な材料から選択される。
【００２８】
材料の蒸発は、図２に示すように個々の材料の蒸気圧で決まっており、第２のフィラメント５としては、一般的には、第１のフィラメント４と比較すると、比較的低温で蒸発する蒸気圧の高い材料から選択され、必要な膜の特性が得られる材料から最適な材料を選択すれば良い。第２のフィラメント５の材料は金属から選択するのが好ましく、例えばＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏ等から適宜最適な材料を選択すれば良い。
【００２９】
第２のフィラメント５の加熱温度は、成膜速度に影響しない程度の温度が望ましく、その範囲は、成膜速度の変化がおよそ１０％以内になるように設定するのが好ましい。
【００３０】
上記のように、第１のフィラメント４と第２のフィラメント５を個々に配置し、それぞれ個別に加熱温度を制御することで、成膜速度と膜１０中への元素の混入量を独立に制御することができ、より高性能な膜を得ることができる。例えば、膜中の元素の混入量を、膜厚方向に変化させながら混入させること等ができ、膜の抵抗制御や、特性の設計に有効である。また、成膜装置として構造が簡易なため、従来ＣＶＤ装置やスパッタ装置と比べて、コストの低減に有利である。
【００３１】
基板上への成膜は、例えば図６に示すように、第１のフィラメント４と第２のフィラメント５を基板全体を覆うように配置することで、大面積化に対応できる。特に、第２のフィラメント５を、基板上を覆うように配置することで、膜中に均一に元素を混入することができ、均一性の向上と大面積化が容易となる。尚、図６は、フィラメントの上から基板を観察した様子を模式的に示している。
【００３２】
本発明の成膜装置では、図３に示すように、コイル状に形成された第１のフィラメント４中に第２のフィラメント５を通すように配置した構成もある。このような構成においては、第２のフィラメント５は第１のフィラメント４の輻射熱で効率的に加熱され、さらに、第２のフィラメント５に接続された電源１１に正の電圧を印加することで、第１のフィラメント４からの熱電子を照射することができ、その電子の照射エネルギーで第２のフィラメント５の蒸発量を制御することができる。
【００３３】
また、図３に示す装置において、基板ホルダー２に接続された電源１２に負の電圧を印加することで、発生したイオンを基板３に照射することができる。イオンは、第２のフィラメント５に電子が照射されることで発生するため、この場合の第２のフィラメント５は、元素の混入とイオンの発生との両方の機能を合わせ持つ。
【００３４】
また本発明の成膜装置では、図４に示すように、基板３に対向して制御電極１３を設け、基板３と制御電極１３との間に、第１のフィラメント４と第２のフィラメント５を配置した構成もある。
【００３５】
図４のような構成においては、制御電極１３を、第１、第２のフィラメントに対して低い電位に設定し、基板３を第１、第２のフィラメントに対して高い電位に設定することで、第１のフィラメント４から発生した電子が基板３に照射され、基板表面での反応により膜を堆積することができる。
【００３６】
同様の装置構成で、制御電極１３を第１、第２のフィラメントに対して高い電位に設定し、基板３を第１、第２のフィラメントに対して低い電位に設定することで、第１のフィラメント４から発生した熱電子が、制御電極１３に照射され、それにより発生したイオンを基板３に照射することで、成膜することができる。
【００３７】
また本発明の成膜装置では、図５に示すように、第２のフィラメント５に接続された電源１５をコントロールし、第２のフィラメント５を第１のフィラメント４に対して高い電位状態にすることで、第１のフィラメント４から発生した熱電子が、第２のフィラメント５に照射され、イオンを発生することができる。この状態で、電源１２を制御し、基板３を第１、第２のフィラメントに対して低い電位状態に設定することで、基板３にイオンを照射し成膜することができる。
【００３８】
成膜に用いる原料ガスは、ＳｉやＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ等を成膜する場合は、ＳｉＨ４等のＳｉを含有するガスにＨ２やＮＨ３等を混合したガスが用いられ、ダイヤモンドライクカーボンやグラファイト状カーボン等を成膜する場合は、ＣＨ４やＣ２Ｈ２等の炭素を含有するガス等が用いられ、適宜最適なガスから選択すれば良い。
【００３９】
次に、本発明の成膜装置および成膜方法により形成される膜の一例として炭素をベースとした電子放出膜について説明する。
【００４０】
ここでは、炭素を主成分とする電子放出膜中にコバルト等の金属を混入させる例を説明する。尚、本発明は、このような構成の炭素膜に限らず、その他の材料を主成分とする膜の製造にも適用できる。ここで説明する例における、炭素膜に混入される金属は、基本的に低抵抗を実現させるためであり、導電パスの確保に重要となるものである。導電パスが形成されると従来技術で説明したコンディショニングのような前処理が不要となり、部分的破壊やダメージを受けることなく電子放出が可能となる。ただし単なる導電パス、すなわち全面均一な抵抗で導電パスが形成されると電界は平行に均一にかかるため電界集中は起きない。そこで、ある程度の塊のように金属粒を形成することが重要で、そうすることで、部分的な導電パスが形成され、その導電パスの部分で電界集中が生じ電子放出を可能にする。
【００４１】
図７には、本発明の成膜装置、および成膜方法を用いて作成した電子放出膜の一例の模式図を示す。図７中、７１は基板、７２はカソード電極、７３は電子放出膜であり、１７は導電性粒子を示している。
【００４２】
導電性粒子１７は、好ましくは金属粒子である。この導電性粒子１７は、本発明の成膜方法、成膜装置を用いて、炭素膜を成膜中に、前述した第２のフィラメントの構成材料として導電性粒子１７と同じ成分を含むようにし、この材料を気化させることで、炭素膜中に混入させることで形成することができる。尚、単に混入させるだけでは所望の粒子状に形成されない場合は、１つの方法として、本発明により金属が混入した炭素膜に熱処理等を施し、混入した金属を凝集させることで形成できる。この場合の熱処理の雰囲気としては、Ｈ２等の還元ガスおよび、あるいは、ＣＨ４やＣ２Ｈ２等の炭化水素ガスを含む雰囲気が挙げられる。また、熱処理温度は、３００℃以上の温度から選択され、より好ましくは、４００℃以上の範囲から選択されるが、ガス雰囲気等で適宜最適な条件を選択すれば良い。
【００４３】
熱処理の方法としては、例えばランプによる加熱や、フィラメントの輻射熱を利用する方法等が挙げられ、適宜最適なものから選択すればよい。また、熱処理は、成膜装置内で行なうことが好ましく、製造コストの低減等に有利である。成膜装置内での加熱方法としては、第１および第２のフィラメントの輻射熱を用いる方法等が挙げられ、適宜最適な方法を選択すればよい。
【００４４】
さらに、導電性粒子１７の金属としてＶＩＩＩ族金属を用いると、加熱処理条件によっては図７中の１８で示す炭素のグラファイト化が低温の熱処理で成長させることができるため、導電パスの形成及び電界集中にとって好ましい構成になる。さらに、ＶＩＩＩ族金属は、特にコバルトやニッケルの場合、仕事関数がほぼグラファイトの仕事関数に等しく、グラファイトとの接合において、良好な接合となりうるため都合が良い。
【００４５】
次に、上記電子放出膜を用いた電子放出素子の一例を、図８を用いて説明する。８１は基板、８２はカソード電極、８３は電子放出膜、８４は絶縁層、８５はゲート電極である。カソード電極８２とゲート電極８５の間に電圧を印加すると、開口部８６から真空中に電子が放出される。
【００４６】
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個配し、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した単純マトリクス配置がある。
【００４７】
以下、本発明を適用可能な電子放出素子を複数配して得られる単純マトリクス配置の電子源について、図９を用いて説明する。図９において、９１は電子源基体、９２はＸ方向配線、９３はＹ方向配線、９４は図８に示したような電子放出素子である。
【００４８】
ｍ本のＸ方向配線９２は、Ｄｘ１，Ｄｘ２，…Ｄｘｍ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９３は、Ｄｙ１，Ｄｙ２，…Ｄｙｎのｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線９２と同様に形成される。これらｍ本のＸ方向配線９２とｎ本のＹ方向配線９３との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に分離している（ｍ，ｎは、共に正の整数）。
【００４９】
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ＳｉＯ２等で構成される。例えば、Ｘ方向配線９２を形成した基体９１の全面或いは一部に所望の形状で形成され、特に、Ｘ方向配線９２とＹ方向配線９３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９２とＹ方向配線９３は、それぞれ外部端子として引き出されている。
【００５０】
電子放出素子９４を構成する一対の素子電極（即ち、前述の電極８２，８５）は、ｍ本のＸ方向配線９２とｎ本のＹ方向配線９３と導電性金属等からなる結線によって電気的に接続されている。
【００５１】
Ｘ方向配線９２とＹ方向配線９３を構成する材料、結線を構成する材料及び一対の素子電極を構成する材料は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であっても、またそれぞれ異なってもよい。これら材料は、適宜選択される。素子電極を構成する材料と配線材料が同一である場合には、素子電極に接続した配線は素子電極ということもできる。
【００５２】
Ｘ方向配線９２には、Ｘ方向に配列した電子放出素子９４の行を、選択するための走査信号を印加する不図示の走査信号印加手段が接続される。一方、Ｙ方向配線９３には、Ｙ方向に配列した電子放出素子９４の各列を入力信号に応じて、変調するための不図示の変調信号発生手段が接続される。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供給される。
【００５３】
上記構成においては、単純なマトリクス配線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とすることができる。このような単純マトリクス配置の電子源を用いて構成した画像形成装置について、図１０を用いて説明する。図１０は、画像形成装置の表示パネルの一例を示す模式図である。
【００５４】
図１０において、９１は電子放出素子を複数配した電子源基体、１０１は電子源基体９１を固定したリアプレート、１０６はガラス基体１０３の内面に画像形成部材である蛍光体としての蛍光膜１０４とメタルバック１０５等が形成されたフェースプレートである。１０２は支持枠であり、支持枠１０２には、リアプレート１０１、フェースプレート１０６がフリットガラス等を用いて接続されている。１０７は外囲器であり、例えば大気中あるいは、窒素中で、４００〜５００℃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。
【００５５】
９４は、本発明における電子放出素子に相当する。９２，９３は、電子放出素子の一対の素子電極（即ち、前述の電極８２，８５）と接続されたＸ方向配線及びＹ方向配線である。
【００５６】
外囲器１０７は、上述の如く、フェースプレート１０６、支持枠１０２、リアプレート１０１で構成される。リアプレート１０１は主に基体９１の強度を補強する目的で設けられるため、基体９１自体で十分な強度を持つ場合は別体のリアプレート１０１は不要とすることができる。即ち、基体９１に直接支持枠１０２を封着し、フェースプレート１０６、支持枠１０２及び基体９１で外囲器１０７を構成しても良い。一方、フェースプレート１０６、リアプレート１０１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１０７を構成することもできる。
【００５７】
なお、本発明を適用可能な電子放出素子を用いた画像形成装置では、放出した電子軌道を考慮して電子放出素子９４上部に蛍光体（蛍光膜１０４）をアライメントして配置する。本発明においては、電子放出素子９４の直上に電子ビームが到達するため、電子放出素子９４の直上に蛍光膜１０４が配置されるように、位置あわせされて構成される。
【００５８】
次に、封着工程を施した外囲器（パネル）を封止する真空封止工程について説明する。
【００５９】
真空封止工程は、外囲器（パネル）１０７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）を通じて排気し、有機物質の十分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きる。外囲器１０７の封止後の圧力を維持するために、ゲッター処理を行なうこともできる。これは、外囲器１０７の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１０７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１０７内の雰囲気を維持するものである。
【００６０】
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形成装置は、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。また、高圧端子１１３を介してメタルバック１０５、あるいは透明電極（不図示）に高圧を印加し、電子ビームを加速する。加速された電子は、蛍光膜１０４に衝突し、発光が生じて画像が形成される。
【００６１】
次に、単純マトリクス配置の電子源を用いて構成した表示パネルに、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に基づいたテレビジョン表示を行う為の駆動回路の構成例について、図１１を用いて説明する。図１１において、１２１は画像表示パネル、１２２は走査回路、１２３は制御回路、１２４はシフトレジスタである。１２５はラインメモリ、１２６は同期信号分離回路、１２７は変調信号発生器、ＶｘおよびＶａは直流電圧源である。
【００６２】
表示パネル１２１は、端子Ｄｏｘ１乃至Ｄｏｘｍ、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎ、及び高圧端子Ｈｖを介して外部の電気回路と接続している。端子Ｄｏｘ１乃至Ｄｏｘｍには、表示パネル内に設けられている電子源、即ち、Ｍ行Ｎ列の行列状にマトリクス配線された電子放出素子群を一行（Ｎ素子）ずつ順次駆動する為の走査信号が印加される。
【００６３】
端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎには、前記走査信号により選択された一行の電子放出素子の各素子の出力電子ビームを制御する為の変調信号が印加される。高圧端子Ｈｖには、直流電圧源Ｖａより、例えば１０ｋ［Ｖ］の直流電圧が供給されるが、これは電子放出素子から放出される電子ビームに蛍光体を励起するのに十分なエネルギーを付与する為の加速電圧である。
【００６４】
走査回路１２２について説明する。同回路は、内部にＭ個のスイッチング素子（図中、Ｓ１ないしＳｍで模式的に示している）を備えたものである。各スイッチング素子は、直流電圧源Ｖｘの出力電圧もしくは０［Ｖ］（グランドレベル）のいずれか一方を選択し、表示パネル１２１の端子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１２３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わせることにより構成することができる。
【００６５】
直流電圧源Ｖｘは、本例の場合に電子放出素子の特性（電子放出しきい値電圧）に基づき走査されていない素子に印加される駆動電圧が電子放出しきい値電圧以下となるような一定電圧を出力するよう設定されている。
【００６６】
制御回路１２３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１２３は、同期信号分離回路１２６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。
【００６７】
同期信号分離回路１２６は、外部から入力されるＮＴＳＣ方式のテレビ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１２６により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。前記テレビ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１２４に入力される。
【００６８】
シフトレジスタ１２４は、時系列的にシリアルに入力される前記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、前記制御回路１２３より送られる制御信号Ｔｓｆｔに基づいて動作する（即ち、制御信号Ｔｓｆｔは、シフトレジスタ１２４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素子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前記シフトレジスタ１２４より出力される。
【００６９】
ラインメモリ１２５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１２３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、Ｉ’ｄ１乃至Ｉ’ｄｎとして出力され、変調信号発生器１２７に入力される。
【００７０】
変調信号発生器１２７は、画像データＩ’ｄ１乃至Ｉ’ｄｎの各々に応じて電子放出素子の各々を適切に駆動変調する為の信号源であり、その出力信号は、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを通じて表示パネル１２１内の電子放出素子に印加される。
【００７１】
本発明を適用可能な電子放出素子は放出電流Ｉｅに対して以下の基本特性を有している。即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖｔｈがあり、Ｖｔｈ以上の電圧を印加された時のみ電子放出が生じる。電子放出しきい値以上の電圧に対しては、素子への印加電圧の変化に応じて放出電流も変化する。このことから、本素子に電圧を印加する場合、例えば電子放出閾値以下の電圧を印加しても電子放出は生じないが、電子放出閾値以上の電圧を印加する場合には電子ビームが出力される。その際、印加電圧Ｖｆ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、本素子にパルス電圧を印加する場合、パルスの高さＰｈを変化させる事により電子ビーム強度を、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。
【００７２】
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１２７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。
【００７３】
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１２７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。
【００７４】
シフトレジスタ１２４やラインメモリ１２５は、デジタル信号式のものをもアナログ信号式のものをも採用できる。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。
【００７５】
デジタル信号式を用いる場合には、同期信号分離回路１２６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１２６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１２５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１２７に用いられる回路が若干異なったものとなる。即ち、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１２７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１２７には、例えば高速の発振器および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前記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。
【００７６】
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１２７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。
【００７７】
このような構成をとり得る本発明を適用可能な画像表示装置においては、各電子放出素子に、容器外端子Ｄｏｘ１乃至Ｄｏｘｍ、Ｄｏｙ１乃至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。高圧端子Ｈｖを介してメタルバック１０５、あるいは透明電極（不図示）に高圧を印加し、電子ビームを加速する。加速された電子は、蛍光膜に衝突し、発光が生じて画像が形成される。
【００７８】
ここで述べた画像形成装置の構成は、本発明を適用可能な画像形成装置の一例であり、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。
【００７９】
本発明の成膜装置、成膜方法の適用例として電子放出素子、電子源、画像形成装置への応用を説明したが、本発明の成膜装置、成膜方法を用いることで、様々なデバイスへの応用が期待でき、大面積化、均一性の向上、低コスト化等の効果が実現できる。
【００８０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
【００８１】
［実施例１］
本実施例では、図１に示す装置を用いて基板上に炭素膜を成膜した例を説明する。
【００８２】
まず、真空排気機構９としてドライポンプ、ターボ分子ポンプを備えた真空チャンバー１内に、第１のフィラメント４として、φ１ｍｍのタングステンワイヤーを１０ｃｍ張り、第２のフィラメント５として、φ０．５ｍｍコバルトワイヤーを同様に１０ｃｍ配置した。上記、第１、第２のフィラメントには、各々交流電源を接続した。
【００８３】
次に、Ｓｉ基板を装置内の基板ホルダー２上に配置し、１×１０−５Ｐａまで真空排気を行なった。
【００８４】
次に、原料ガスとして、ＣＨ４と水素を１：５の割合で混合したガスを装置内に導入し、０．１Ｐａの圧力に調節した。
【００８５】
続いて、第１のフィラメント４に電圧を印加し、１８００℃まで加熱し、さらに、第２のフィラメント５は８００℃まで加熱し成膜を開始した。
【００８６】
上記の状態で３０分保持し、第１のフィラメントおよび第２のフィラメントの加熱を停止し、原料ガスの供給を停止し、成膜を終了した。
【００８７】
上記のようにして成膜した膜をＳＩＭＳにより分析したところ、炭素膜中に１．０ａｔｍ％の量でコバルトを混入することができた。
【００８８】
［実施例２］
図５に示す装置を用いて炭素膜を成膜した。本実施例の成膜装置は、実施例１の成膜装置に、基板バイアス用の電源１２を設けた構成である。
【００８９】
成膜条件は、実施例１と同様の条件で、基板に２５０Ｖの電圧を印加した。このようにして成膜した炭素膜をＳＩＭＳにより分析した結果、炭素膜中に０．７ａｔｍ％のコバルトを混入することができた。
【００９０】
［実施例３］
本実施例では、図４に示す装置を用いて基板上に炭素膜を成膜した例を説明する。
【００９１】
実施例１と同様に、真空チャンバー１内に、第１のフィラメント４、第２のフィラメント５を配置した。ここでは、第１のフィラメント４をφ１ｍｍのタングステンワイヤー、第２のフィラメント５としてφ０．５ｍｍのニッケルワイヤーを用いた。また、基板には電圧を印加するための電源１２を接続し、さらに、基板に対向するように、第１、第２のフィラメント上部に制御電極１３を設けた。
【００９２】
この様に設定した装置内に、原料ガスとして、Ｃ２Ｈ４とＨ２の混合ガスを導入し、０．１Ｐａに保持した。
【００９３】
次に、基板に２５０Ｖの電圧を印加し、制御電極には−１００Ｖの電圧を印加した後、第１のフィラメント、第２のフィラメントを各々加熱した。第１のフィラメントは１８００℃、第２のフィラメントは９００℃に設定した。
【００９４】
この条件では、基板には３０ｍＡ、制御電極には０．５ｍＡの電流値がそれぞれ観測された。この状態で、１時間保持し成膜を終了した。
【００９５】
上記のようにして成膜した膜をＳＩＭＳにより分析した結果、炭素膜中に０．７ａｔｍ％の量のニッケルを混入することができた。
【００９６】
本実施例では、実施例２と比較して基板の電流値が安定し、均一性が向上した。
【００９７】
［実施例４］
実施例３と同じ成膜装置を用いて炭素膜を成膜した。ただし、基板に印加する電圧を−５０Ｖ、制御電極に印加する電圧を１００Ｖとした。
【００９８】
上記の成膜条件では、イオンが基板に照射される状態となった。このようにして成膜した炭素膜をＳＩＭＳにより分析した結果、０．５ａｔｍ％のニッケルを混入することができた。
【００９９】
［実施例５］
本実施例では、図３に示す装置を用いて基板上に炭素膜を成膜した例を説明する。
【０１００】
第１のフィラメント４として、φ１ｍｍのタングステンワイヤーを１５ｍｍの径になるようにコイル状に加工し、コイル状の中心に、第２のフィラメント５としてφ０．５ｍｍのコバルトワイヤーを挿入した。
【０１０１】
このように形成したフィラメントを真空チャンバー１内に配置し、ＣＨ４とＨ２の混合ガスを装置内に導入し、０．５Ｐａに保持した。
【０１０２】
次に、第１のフィラメント４を１８００℃になるように通電加熱した。この結果、第２のフィラメント５は輻射熱により、およそ４００℃に加熱された。これと同時に、第２のフィラメント５に１００Ｖの電圧を印加し、基板に−５０Ｖの電圧を印加し、炭素膜を成膜した。
【０１０３】
上記のようにして成膜した炭素膜をＳＩＭＳにより分析した結果、０．６ａｔｍ％のコバルトを混入することができた。
【０１０４】
［実施例６］
本実施例では、図６に示すように、第１および第２のフィラメントをほぼ同一平面上に且つ基板上面を覆うように配置した成膜装置を用いて炭素膜を成膜した。
【０１０５】
第１のフィラメント４としてタングステンを２０ｃｍ×２０ｃｍの領域を覆うように加工し、それと同様な形状に、第２のフィラメント５としてニッケルを加工した。この形状のフィラメントを用いて成膜すると、大面積に均一に炭素膜を形成できた。
【０１０６】
［実施例７］
図１に示す装置を用いて炭素膜を成膜した。本実施例では、成膜中、第１のフィラメント４は１８００℃に保持し、第２のフィラメント５を５００℃から１０００℃まで、一定速度で昇温した。
【０１０７】
その結果、ＳＩＭＳ分析によると、炭素膜の基板から表面方向に向けてコバルト濃度が増加する傾斜した濃度分布が得られた。
【０１０８】
［実施例８］
実施例１から６で成膜した炭素膜を、装置の真空チャンバー１内で熱処理した。熱処理の条件は、Ｃ２Ｈ２と水素の混合ガス雰囲気中で、それぞれ、成膜後に真空チャンバー内で５５０℃、１時間の加熱処理を行なった。その炭素膜をＴＥＭ観察すると、図７に示すように、炭素膜中に金属粒子が形成できた。これらの炭素膜を真空中で電子放出特性を測定したところ、１×１０５Ｖ／ｃｍの電界で電子放出が観測できた。
【０１０９】
［実施例９］
本実施例は、図８に示したような電子放出素子を作製した例である。
【０１１０】
基板８１にはＳｉを用いて、カソード電極８２としてＴａを３００ｎｍ堆積したものを複数枚用意した。
【０１１１】
このカソード電極を形成した基板上に、実施例１から６と同様の装置・方法により炭素膜を成膜した後、実施例８と同様の熱処理を施して電子放出膜８３とした。
【０１１２】
その後、絶縁層８４としてＳｉＯ２膜を１μｍ堆積し、ゲート電極８５としてＴａを１００ｎｍ堆積し、積層構造を形成した。次に、Ｔａゲートに１μｍの開口領域を形成した後、バッファードフッ酸にて絶縁層をエッチングし、電子放出膜８３を露出した。
【０１１３】
このようにして形成した素子を、真空中に配置し、ゲート電極８５とカソード電極８２の間に電圧を印加すると、いずれの素子も電子放出が観測できた。
【０１１４】
［実施例１０］
本実施例は、図８に示したような電子放出素子をマトリクス状に配置した電子源を用いて画像形成装置を作製した例である。
【０１１５】
実施例９の電子放出素子の製法を拡張し、基板上に電子放出素子を横３００μｍ、縦３００μｍのピッチで、２００×３００のマトリクス状に配置した。尚、炭素膜の成膜時には、成膜装置の真空チャンバー内に複数のフィラメントを３０ｃｍ×３０ｃｍの領域に配置することで、大面積の炭素膜を成膜でき且つ金属粒子を均一に混入させることができた。
【０１１６】
各素子を接続するマトリクス配線は、図９のように、Ｘ側をカソード電極８２に、Ｙ側をゲート電極８５に接続した。また、各素子の上部にはそれぞれ蛍光体を配置した。この結果、マトリクス駆動が可能で高精細な画像形成装置が形成できた。
【０１１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の成膜装置および成膜方法を用いると、膜中に所望の元素を混入させることができ、かつ、低コストで、大面積で均一性に優れた膜を実現することができる。
【０１１８】
また、本発明の成膜方法を電子放出膜の成膜に適用することにより、蛍光体を十分な輝度で発光させる放出電流量が得られ、また、大面積に均一にその機能を発現し得る電子放出素子および電子源、更には高精細な画像形成装置を低コストで実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の成膜装置を示す模式図である。
【図２】本発明に係る元素の蒸気圧の説明図である。
【図３】本発明の成膜装置を示す模式図である。
【図４】本発明の成膜装置を示す模式図である。
【図５】本発明の成膜装置を示す模式図である。
【図６】本発明の成膜装置におけるフィラメント構成の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の成膜装置で形成した膜の構造を示す模式図である。
【図８】本発明に係る電子放出素子の構造を模式的に示す断面図である
【図９】本発明に係る単純マトリクス配置の電子源の構成図である。
【図１０】本発明に係る画像形成装置を示す概略図である。
【図１１】本発明に係る画像形成装置の駆動構成図である。
【図１２】従来の成膜装置を示す模式図である。
【図１３】従来例の電子放出素子の構造を模式的に示す断面図である。
【図１４】従来例の電子放出素子の構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１ 真空チャンバー
２ 基板ホルダー
３ 基板
４ 第１のフィラメント
５ 第２のフィラメント
６，７ フィラメント加熱電源
８ ガス導入口
９ 排気機構
１０ 膜
１１ 電位制御電源
１２ 基板バイアス電源
１３ 制御電極
１４ 制御電極用電源
１５ 第２のフィラメント電位制御電源
１７ 導電性粒子
１８ グラファイト層
７１ 基板
７２ カソード電極
７３ 電子放出膜
８１ 基板
８２ カソード電極
８３ 電子放出膜
８４ 絶縁層
８５ ゲート電極
８６ 開口部（電子放出部）
９１ 電子源基板
９２ Ｘ方向配線
９３ Ｙ方向配線
９４ 電子放出素子
１０１ リアプレート
１０２ 支持枠
１０３ ガラス基体
１０４ 蛍光膜
１０５ メタルバック
１０６ フェースプレート
１０７ 外囲器
１１３ 高圧端子
１２１ 画像表示パネル
１２２ 走査回路
１２３ 制御回路
１２４ シフトレジスタ
１２５ ラインメモリ
１２６ 同期信号分離回路
１２７ 変調信号発生器
１３１ 基板
１３２ カソード電極層
１３４ 絶縁層
１３５ ゲート電極層
１３６ マイクロチップ
１４１ 基板
１４２ カソード電極
１４３ 電子放出膜
１４４ 絶縁層
１４５ ゲート電極
１４６ 孔[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a film forming apparatus for forming a film on a substrate, a film forming method, and an electron-emitting device, an electron source, and a method of manufacturing an image forming apparatus using the film forming method.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a film forming apparatus, there is a method using a CVD method, a sputtering method, or the like, and examples of the method include a film forming method using plasma, heat, laser, or the like. Among these film forming apparatuses and methods, there is a method called Cat-CVD or HF-CVD in which a high-melting metal filament is heated to deposit a desired material on a substrate. Examples are described in Hideki Matsumura, Extended Abstract of Open Meeting of Cat-CVD Project, 1999, p1, and Nobuo Setaka, Catalyst 24, No. 6, No. 414-416 (1982).
[0003]
On the other hand, regarding the electron-emitting material, a high-melting carbon-based electron-emitting film, such as diamond, diamond-like carbon, or carbon nanotube, which attempts to utilize the properties specific to carbon, or by concentrating an electric field depending on the shape or structure, to reduce electrons. Research and development of technology for drawing into a vacuum with an electric field is underway. Particularly in recent years, diamond-like carbon has attracted attention as a technique for emitting electrons from a flat film.
[0004]
However, the diamond-like carbon film requires a special step of conditioning, for example, as described in R.S. D. Forrest et al. , Applied Physics Letters, Volume 73, Number 25, 1998, p 3734.
[0005]
On the other hand, there is a report in X.A. that attempts to avoid this problem by putting various metals in a diamond-like carbon film. Z. Ding et al. Journal of applied physics Volume 88, Number 11, 2000, p688; J. Li et al. Applied Physics Letters, Volume 77, Number 13, 2000, p2021; P. Lau et al. , Diamond Related Materials, 10 (2001) 627-631, and Journal of Applied Physics Volume 85, Number 3, 1 February 1999, p. 1508 and the like.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In order to improve the performance of an electronic device, an electron emission film, or the like, it is necessary to incorporate functions into the film by some method. For example, in order to apply an electron emission film to an image forming apparatus, an emission current amount for causing a phosphor to emit light with sufficient luminance is required, and its function must be exhibited uniformly over a large area. Furthermore, for consumer displays and the like, it is important to reduce the manufacturing cost and to simplify the manufacturing method.
[0007]
Conventional film forming apparatuses and film forming methods include a CVD method and a sputtering method, and a film is formed by thermal CVD, plasma CVD, Cat-CVD, HF-CVD, RF sputtering, laser ablation, or the like. The films formed by these methods are doped with impurities such as phosphorus and boron as needed, and the ion implantation method or the like is used as the method.
[0008]
However, in the ion implantation method, it is difficult to perform implantation into a large area, and there are problems in manufacturing cost, throughput, and the like. There is also a method of providing a source of impurities in a manufacturing apparatus, but the conventional method has problems in controllability and uniformity.
[0009]
On the other hand, as for the electron-emitting film, research on an electron-emitting device called a Spindt type has been conventionally performed. FIG. 13 shows a conventional Spindt-type electron-emitting device. In FIG. 13, 131 is a substrate, 132 is a cathode electrode layer (low-potential electrode), 134 is an insulating layer, 135 is a gate electrode layer (high-potential electrode), and 136 is a microchip.
[0010]
However, in the Spindt-type element, since the electron emitting portion has a sharp structure, the electron beam spreads, which is disadvantageous for, for example, a high-definition image forming apparatus. Further, it is difficult to finely control and reproduce the shape of the electron emitting portion, and the emission current amount varies from element to element. As a result, for example, when applied as an electron source of an image forming apparatus such as a display device, it causes luminance unevenness and is very obtrusive.
[0011]
As a method for solving the above problem, as an example of reducing the electron beam diameter, there is a method of not forming a microchip such as a Spindt type. For example, there are electron-emitting devices described in JP-A-8-96703, JP-A-8-96704, and JP-A-8-264109, which have an element structure as shown in FIG. 14, 141 is a substrate, 142 is a cathode electrode, 143 is an electron emission film, 144 is an insulating layer, 145 is a gate electrode, and 146 is a hole.
[0012]
Since the above-described element generates electrons from the thin film (electron emission film) 143 disposed in the hole 146, there is an advantage that a flat equipotential surface is formed on the electron emission surface and the spread of the electron beam is reduced. In addition, by using a constituent material having a low work function as an electron-emitting substance, electrons can be emitted without forming a microchip, and a low driving voltage can be achieved. Another advantage is that the manufacturing method is relatively simple. Further, since electrons are emitted from the surface, excessive concentration of the electric field does not occur, so that the element is not broken and the life is long.
[0013]
However, in the device structure as shown in FIG. 14, an electron emission film which emits electrons in a low electric field while having a flat electron emission portion and a high electron emission density is essential. Such a film has been obtained. There is no fact. Regarding such an electron emission film, X.A. Z. A report by Ding et al. (YJ Li et al., Applied Physics Letters, Volume 77, Number 13, 25 September 2000, p. 2021) has made many improvements and obtained good electron emission characteristics. However, a method similar to ion implantation called the FCVA method is used, and there is a large problem in production due to the problem of large area and manufacturing cost.
[0014]
When the film forming apparatus and the film forming method are applied to the manufacture of image forming apparatuses such as displays and other electronic devices as described above,
(1) Larger film area
(2) Uniformity of film
(3) Low cost
(4) Ease of manufacturing process
However, the conventional film forming apparatus and film forming method did not satisfy these requirements.
[0015]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and a main object of the present invention is to provide a film forming apparatus and a film forming method capable of forming a uniform high-performance film over a large area at low cost. To provide.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The configuration of the present invention made to achieve the above object is as follows.
[0017]
That is, the present invention relates to a film forming apparatus for forming a film on a substrate, a chamber capable of holding a vacuum inside, a first filament and a second filament disposed in the chamber. Wherein the first filament is a filament for decomposing a source gas, and the second filament mixes an element constituting the filament into a film formed on a substrate. A film forming apparatus characterized in that the film forming apparatus is a filament.
[0018]
The film forming apparatus of the present invention has, as further preferable features,
"The first and second filaments are arranged so as to cover the upper surface of the substrate",
"The first and second filaments are arranged on substantially the same plane";
"The first filament is arranged in a coil shape, and the second filament is arranged so as to pass through the inside of a coil formed by the first filament."
"Having means for setting the potential of the substrate higher than the potential of the first filament";
"The first and second filaments are arranged between a substrate holder for fixing the substrate and a control electrode, and apply a potential applied to the control electrode to the first and second filaments. Means for setting higher than the applied potential, and means for setting the potential applied to the substrate lower than the potential applied to the first and second filaments ";
"Means for setting the potential of the second filament higher than the potential of the first filament, and means for setting the potential of the substrate lower than the potential of the first and second filaments. Having "
"The element constituting the second filament is a metal";
"The metal is selected from Ni, Fe, Co"
"Electrons emitted from the first filament deposit a carbon film derived from hydrocarbons introduced into the chamber on the substrate."
including.
[0019]
The present invention also relates to a film forming method for forming a film on a substrate, wherein the first filament is heated in an atmosphere containing a gas as a raw material of the film to decompose the raw material gas, and A step of vaporizing a constituent element of the second filament by heating the filament.
[0020]
The film forming method of the present invention has, as further preferable features,
"Electrons emitted from the first filament are irradiated on a substrate on which a film is formed."
“Irradiating the substrate on which a film is formed with ions of the source gas ionized by the electrons emitted from the first filament”;
"The raw material gas is a hydrocarbon gas."
"The element vaporized from the second filament is a metal";
"The metal is selected from Ni, Fe, Co"
"Having a step of heat-treating the film formed on the substrate",
"The heat treatment method uses radiant heat of the first and / or second filaments",
"The heat treatment step is performed in an atmosphere containing at least hydrogen".
[0021]
According to the present invention, in a method for manufacturing an electron-emitting device having a cathode electrode formed on a substrate and having an electron-emitting film on the cathode electrode, the electron-emitting film is formed by the film forming method of the present invention. And a method for manufacturing an electron-emitting device.
[0022]
According to the present invention, there is provided a method for manufacturing an electron source in which a large number of electron-emitting devices are arranged on a substrate, wherein the electron-emitting device is manufactured by the method for manufacturing an electron-emitting device according to the present invention. A manufacturing method is provided.
[0023]
Further, the present invention provides a method for manufacturing an image forming apparatus having an electron source and a light emitting member which emits light when irradiated with electrons, wherein the electron source is manufactured by the method for manufacturing an electron source according to the present invention. To provide a method of manufacturing an image forming apparatus.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Preferred embodiments of the present invention will be illustratively described in detail below with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention thereto unless otherwise specified. Absent.
[0025]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a film forming apparatus having the most basic configuration of the present invention. 1 is a vacuum chamber, 2 is a substrate holder, 3 is a substrate, 4 is a first filament, 5 is a second filament, 6 and 7 are filament heating power supplies, 8 is a gas inlet, and 9 is a vacuum exhaust mechanism. In this apparatus, a substrate heating mechanism or the like can be provided as necessary.
[0026]
A film forming method using this apparatus will be described. First, a source gas is introduced into the vacuum chamber 1. Then, the first filament 4 is heated, the source gas is decomposed, and a desired film 10 is deposited on the substrate 3. In the present invention, the second filament 5 is heated simultaneously with the step of depositing the film 10 to evaporate a necessary amount of the element constituting the filament 5 to form the second filament 5 in the film 10. It is to mix elements.
[0027]
More specifically, a general high-melting-point metal is used for the first filament 4, and an appropriate material is appropriately selected from, for example, W and Ta.
[0028]
The evaporation of the material is determined by the vapor pressure of the individual material as shown in FIG. 2, and the second filament 5 generally evaporates at a relatively low temperature as compared with the first filament 4. An optimum material may be selected from materials having a high vapor pressure and having the required film properties. The material of the second filament 5 is preferably selected from metals, and for example, an optimum material may be appropriately selected from Ni, Fe, Co, and the like.
[0029]
The heating temperature of the second filament 5 is desirably a temperature that does not affect the film formation rate, and the range is preferably set so that the change in the film formation rate is within about 10%.
[0030]
As described above, the first filament 4 and the second filament 5 are individually arranged, and the heating temperature is individually controlled, so that the film formation rate and the amount of the element mixed into the film 10 are independently controlled. And a higher-performance film can be obtained. For example, it is possible to mix elements while changing the mixing amount of elements in the film in the film thickness direction, which is effective for controlling the resistance of the film and designing the characteristics. Further, since the structure of the film forming apparatus is simple, it is advantageous in reducing costs as compared with the conventional CVD apparatus and sputtering apparatus.
[0031]
As shown in FIG. 6, for example, as shown in FIG. 6, the first filament 4 and the second filament 5 are arranged so as to cover the entire substrate, so that a large area can be dealt with. In particular, by arranging the second filament 5 so as to cover the substrate, elements can be uniformly mixed in the film, and the uniformity can be improved and the area can be easily increased. FIG. 6 schematically shows a state in which the substrate is observed from above the filament.
[0032]
In the film forming apparatus of the present invention, as shown in FIG. 3, there is also a configuration in which the second filament 5 is arranged to pass through the first filament 4 formed in a coil shape. In such a configuration, the second filament 5 is efficiently heated by the radiant heat of the first filament 4, and further, by applying a positive voltage to the power supply 11 connected to the second filament 5, The thermoelectrons from the first filament 4 can be irradiated, and the amount of evaporation of the second filament 5 can be controlled by the irradiation energy of the electrons.
[0033]
In the apparatus shown in FIG. 3, by applying a negative voltage to the power supply 12 connected to the substrate holder 2, the generated ions can be irradiated to the substrate 3. Since ions are generated by irradiating the second filament 5 with electrons, the second filament 5 in this case has both functions of mixing elements and generating ions.
[0034]
In the film forming apparatus of the present invention, as shown in FIG. 4, a control electrode 13 is provided so as to face the substrate 3, and the first filament 4 and the second filament 5 are provided between the substrate 3 and the control electrode 13. Is also available.
[0035]
In the configuration shown in FIG. 4, the control electrode 13 is set at a low potential with respect to the first and second filaments, and the substrate 3 is set at a high potential with respect to the first and second filaments. The electron generated from the first filament 4 is irradiated on the substrate 3 and a film can be deposited by a reaction on the substrate surface.
[0036]
With the same device configuration, the control electrode 13 is set to a high potential with respect to the first and second filaments, and the substrate 3 is set to a low potential with respect to the first and second filaments. The thermoelectrons generated from the filament 4 are irradiated on the control electrode 13, and the generated ions are irradiated on the substrate 3, whereby a film can be formed.
[0037]
Further, in the film forming apparatus of the present invention, as shown in FIG. 5, the power supply 15 connected to the second filament 5 is controlled to bring the second filament 5 into a higher potential state with respect to the first filament 4. Thus, the thermoelectrons generated from the first filament 4 are irradiated on the second filament 5 to generate ions. In this state, by controlling the power supply 12 and setting the substrate 3 to a low potential state with respect to the first and second filaments, the substrate 3 can be irradiated with ions to form a film.
[0038]
The source gas used for film formation is SiH when forming a film of Si, SiOx, SiNx, or the like. 4 Gas containing Si such as H 2 And NH 3 When a film like diamond-like carbon or graphite-like carbon is formed by using a mixed gas of 4 And C 2 H 2 For example, a gas containing carbon or the like is used, and an appropriate gas may be selected as appropriate.
[0039]
Next, an electron emission film based on carbon will be described as an example of a film formed by the film forming apparatus and the film forming method of the present invention.
[0040]
Here, an example in which a metal such as cobalt is mixed in an electron emission film containing carbon as a main component will be described. The present invention is not limited to the carbon film having such a configuration, and can be applied to the manufacture of a film containing other materials as a main component. In the example described here, the metal mixed into the carbon film is basically for realizing a low resistance, and is important for securing a conductive path. When the conductive path is formed, a pretreatment such as conditioning described in the related art becomes unnecessary, and electron emission becomes possible without partial destruction or damage. However, if a mere conductive path, that is, a conductive path is formed with a uniform resistance over the entire surface, the electric field is uniformly applied in parallel, so that no electric field concentration occurs. Therefore, it is important to form metal particles like a certain mass, and by doing so, a partial conductive path is formed, and an electric field concentration occurs at the conductive path portion to enable electron emission.
[0041]
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an example of an electron emission film formed using the film forming apparatus and the film forming method of the present invention. 7, reference numeral 71 denotes a substrate, 72 denotes a cathode electrode, 73 denotes an electron emission film, and 17 denotes conductive particles.
[0042]
The conductive particles 17 are preferably metal particles. The conductive particles 17 are formed so as to contain the same components as the conductive particles 17 as a constituent material of the second filament during the formation of the carbon film using the film forming method and the film forming apparatus of the present invention. It can be formed by vaporizing this material and mixing it into the carbon film. In the case where the particles are not formed into a desired particle shape by merely mixing, as one method, it can be formed by subjecting the carbon film mixed with the metal according to the present invention to a heat treatment or the like and aggregating the mixed metal. The atmosphere for the heat treatment in this case is H 2 And / or reducing gas such as CH 4 And C 2 H 2 And the like containing a hydrocarbon gas. In addition, the heat treatment temperature is selected from a temperature of 300 ° C. or higher, and more preferably is selected from a range of 400 ° C. or higher.
[0043]
Examples of the heat treatment method include heating using a lamp and a method using radiant heat of a filament. In addition, the heat treatment is preferably performed in a film forming apparatus, which is advantageous in reducing manufacturing costs. Examples of a heating method in the film forming apparatus include a method using radiant heat of the first and second filaments, and an optimal method may be appropriately selected.
[0044]
Further, when a group VIII metal is used as the metal of the conductive particles 17, the carbonization of carbon indicated by 18 in FIG. 7 can be grown by low-temperature heat treatment depending on the heat treatment conditions. This is a favorable configuration for concentration. Furthermore, the work function of the Group VIII metal, particularly cobalt or nickel, is substantially equal to the work function of graphite, and can be a favorable bond with graphite, which is convenient.
[0045]
Next, an example of an electron-emitting device using the above-described electron-emitting film will be described with reference to FIG. 81 is a substrate, 82 is a cathode electrode, 83 is an electron emission film, 84 is an insulating layer, and 85 is a gate electrode. When a voltage is applied between the cathode electrode 82 and the gate electrode 85, electrons are emitted from the opening 86 into a vacuum.
[0046]
Various arrangements of the electron-emitting devices are employed. As an example, a plurality of electron-emitting devices are arranged in a matrix in the X direction and the Y direction, and one of the electrodes of the plurality of electron-emitting devices arranged in the same row is commonly connected to a wiring in the X direction, and the same column is connected. There is a simple matrix arrangement in which the other of the electrodes of the plurality of electron-emitting devices arranged in the above is commonly connected to the wiring in the Y direction.
[0047]
Hereinafter, an electron source having a simple matrix arrangement obtained by arranging a plurality of electron-emitting devices to which the present invention can be applied will be described with reference to FIG. 9, reference numeral 91 denotes an electron source base, 92 denotes an X-direction wiring, 93 denotes a Y-direction wiring, and 94 denotes an electron-emitting device as shown in FIG.
[0048]
The m X-direction wirings 92 are made of Dx1, Dx2,... Dxm, and can be made of a conductive metal or the like formed by using a vacuum deposition method, a printing method, a sputtering method, or the like. The material, thickness and width of the wiring are appropriately designed. The Y-directional wiring 93 is composed of n wirings Dy1, Dy2,... Dyn, and is formed in the same manner as the X-directional wiring 92. An interlayer insulating layer (not shown) is provided between the m X-directional wirings 92 and the n Y-directional wirings 93 to electrically separate them (m and n are both common). Positive integer).
[0049]
The interlayer insulating layer (not shown) is formed of SiO formed by vacuum deposition, printing, sputtering, or the like. 2 Etc. For example, the film 91 is formed in a desired shape on the entire surface or a part of the base 91 on which the X-directional wiring 92 is formed. The production method is appropriately set. The X-direction wiring 92 and the Y-direction wiring 93 are respectively drawn out as external terminals.
[0050]
A pair of device electrodes (that is, the above-described electrodes 82 and 85) constituting the electron-emitting device 94 are electrically connected to each other by connecting the m X-directional wires 92 and the n Y-directional wires 93 with a conductive metal or the like. It is connected.
[0051]
The material forming the X-direction wiring 92 and the Y-direction wiring 93, the material forming the connection, and the material forming the pair of element electrodes may be partially or entirely the same or different. Good. These materials are appropriately selected. When the material forming the element electrode and the wiring material are the same, the wiring connected to the element electrode can also be called an element electrode.
[0052]
The X-direction wiring 92 is connected to a scanning signal applying unit (not shown) for applying a scanning signal for selecting a row of the electron-emitting devices 94 arranged in the X-direction. On the other hand, a modulation signal generating means (not shown) for modulating each column of the electron-emitting devices 94 arranged in the Y direction according to an input signal is connected to the Y-direction wiring 93. The driving voltage applied to each electron-emitting device is supplied as a difference voltage between a scanning signal and a modulation signal applied to the device.
[0053]
In the above configuration, individual elements can be selected and driven independently using simple matrix wiring. An image forming apparatus configured using such an electron source having a simple matrix arrangement will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of a display panel of the image forming apparatus.
[0054]
In FIG. 10, reference numeral 91 denotes an electron source substrate on which a plurality of electron-emitting devices are arranged; 101, a rear plate on which the electron source substrate 91 is fixed; 106, a fluorescent film 104 serving as a phosphor serving as an image forming member on an inner surface of a glass substrate 103; This is a face plate on which a metal back 105 and the like are formed. Reference numeral 102 denotes a support frame, and a rear plate 101 and a face plate 106 are connected to the support frame 102 using frit glass or the like. Reference numeral 107 denotes an envelope, which is sealed by baking in a temperature range of 400 to 500 ° C. for 10 minutes or more in the atmosphere or nitrogen, for example.
[0055]
Reference numeral 94 corresponds to the electron-emitting device of the present invention. Reference numerals 92 and 93 denote an X-direction wiring and a Y-direction wiring connected to a pair of device electrodes (that is, the aforementioned electrodes 82 and 85) of the electron-emitting device.
[0056]
The envelope 107 includes the face plate 106, the support frame 102, and the rear plate 101 as described above. Since the rear plate 101 is provided mainly for the purpose of reinforcing the strength of the base 91, if the base 91 itself has sufficient strength, the separate rear plate 101 can be unnecessary. That is, the support frame 102 may be directly sealed to the base 91, and the envelope 107 may be configured by the face plate 106, the support frame 102, and the base 91. On the other hand, by installing a support (not shown) called a spacer between the face plate 106 and the rear plate 101, the envelope 107 having sufficient strength against atmospheric pressure can be configured.
[0057]
In an image forming apparatus using an electron-emitting device to which the present invention can be applied, a phosphor (fluorescent film 104) is arranged above the electron-emitting device 94 in alignment in consideration of emitted electron trajectories. In the present invention, since the electron beam reaches directly above the electron-emitting device 94, the electron beam is positioned and arranged so that the fluorescent film 104 is disposed directly above the electron-emitting device 94.
[0058]
Next, a vacuum sealing step of sealing the envelope (panel) subjected to the sealing step will be described.
[0059]
In the vacuum sealing step, the envelope (panel) 107 is heated and maintained at 80 to 250 ° C., and is evacuated through an exhaust pipe (not shown) by an exhaust device such as an ion pump and a sorption pump. After the atmosphere is made sufficiently low in substance, the exhaust pipe is heated with a burner to dissolve and seal. To maintain the pressure after the envelope 107 is sealed, a getter process may be performed. This is because the getter disposed at a predetermined position (not shown) in the envelope 107 is heated by heating using resistance heating, high-frequency heating, or the like immediately before or after the envelope 107 is sealed. This is a process for forming a deposited film. The getter is usually composed mainly of Ba or the like, and maintains the atmosphere in the envelope 107 by the adsorption action of the deposited film.
[0060]
The image forming apparatus configured by using the electron sources of the simple matrix arrangement manufactured by the above-described process applies electrons to the respective electron-emitting devices through external terminals Dox1 to Doxm and Doy1 to Doyn. Release occurs. Further, a high voltage is applied to the metal back 105 or a transparent electrode (not shown) via the high voltage terminal 113 to accelerate the electron beam. The accelerated electrons collide with the fluorescent film 104 and emit light to form an image.
[0061]
Next, an example of the configuration of a driving circuit for performing television display based on an NTSC television signal on a display panel configured using electron sources in a simple matrix arrangement will be described with reference to FIG. In FIG. 11, 121 is an image display panel, 122 is a scanning circuit, 123 is a control circuit, and 124 is a shift register. 125 is a line memory, 126 is a synchronizing signal separation circuit, 127 is a modulation signal generator, and Vx and Va are DC voltage sources.
[0062]
The display panel 121 is connected to an external electric circuit via terminals Dox1 to Doxm, terminals Doy1 to Doyn, and a high voltage terminal Hv. Terminals Dox1 to Doxm are provided with scanning signals for sequentially driving electron sources provided in the display panel, that is, electron emission element groups arranged in a matrix of M rows and N columns, one row (N elements) at a time. Is applied.
[0063]
To the terminals Doy1 to Doyn, a modulation signal for controlling an output electron beam of each of the electron-emitting devices in one row selected by the scanning signal is applied. The high-voltage terminal Hv is supplied with a DC voltage of, for example, 10 kV from a DC voltage source Va, which gives an electron beam emitted from the electron-emitting device sufficient energy to excite the phosphor. This is the acceleration voltage for performing
[0064]
The scanning circuit 122 will be described. The circuit includes M switching elements (schematically indicated by S1 to Sm in the figure). Each switching element selects either the output voltage of the DC voltage source Vx or 0 [V] (ground level), and is electrically connected to the terminals Dox1 to Doxm of the display panel 121. Each of the switching elements S1 to Sm operates based on the control signal Tscan output from the control circuit 123, and can be configured by combining switching elements such as FETs, for example.
[0065]
In the case of this example, the DC voltage source Vx has a constant value such that the driving voltage applied to the unscanned element is equal to or less than the electron emission threshold voltage based on the characteristics (electron emission threshold voltage) of the electron emission element. It is set to output voltage.
[0066]
The control circuit 123 has a function of matching the operation of each unit so that appropriate display is performed based on an image signal input from the outside. The control circuit 123 generates control signals Tscan, Tsft, and Tmry for each unit based on the synchronization signal Tsync sent from the synchronization signal separation circuit 126.
[0067]
The synchronizing signal separation circuit 126 is a circuit for separating a synchronizing signal component and a luminance signal component from an NTSC television signal input from the outside, and can be configured using a general frequency separation (filter) circuit or the like. The synchronizing signal separated by the synchronizing signal separating circuit 126 includes a vertical synchronizing signal and a horizontal synchronizing signal, but is shown here as a Tsync signal for convenience of explanation. The luminance signal component of the image separated from the television signal is referred to as a DATA signal for convenience. The DATA signal is input to the shift register 124.
[0068]
The shift register 124 performs serial / parallel conversion of the DATA signal input serially in time series for each line of an image, and operates based on a control signal Tsft sent from the control circuit 123. (That is, it can be said that the control signal Tsft is a shift clock of the shift register 124.) The data for one line of the image subjected to the serial / parallel conversion (corresponding to the drive data for N electron-emitting devices) is output from the shift register 124 as N parallel signals Id1 to Idn.
[0069]
The line memory 125 is a storage device for storing data for one line of an image for a required time only, and stores the contents of Id1 to Idn as appropriate according to a control signal Tmry sent from the control circuit 123. The stored contents are output as I'd1 to I'dn and input to the modulation signal generator 127.
[0070]
The modulation signal generator 127 is a signal source for appropriately driving and modulating each of the electron-emitting devices according to each of the image data I'd1 to I'dn, and its output signal is displayed through terminals Doy1 to Doyn. The voltage is applied to the electron-emitting devices in the panel 121.
[0071]
The electron-emitting device to which the present invention can be applied has the following basic characteristics with respect to the emission current Ie. That is, electron emission has a clear threshold voltage Vth, and electron emission occurs only when a voltage equal to or higher than Vth is applied. For a voltage equal to or higher than the electron emission threshold, the emission current also changes according to the change in the voltage applied to the device. From this, when a voltage is applied to the element, for example, when a voltage lower than the electron emission threshold is applied, no electron emission occurs, but when a voltage higher than the electron emission threshold is applied, an electron beam is output. . At this time, the intensity of the output electron beam can be controlled by changing the applied voltage Vf. When a pulse voltage is applied to this element, the electron beam intensity can be controlled by changing the pulse height Ph, and the total amount of charge of the output electron beam can be controlled by changing the pulse width Pw. It is possible.
[0072]
Therefore, as a method of modulating the electron-emitting device in accordance with the input signal, a voltage modulation method, a pulse width modulation method, or the like can be adopted. When implementing the voltage modulation method, a circuit of the voltage modulation method that generates a voltage pulse of a fixed length and modulates the peak value of the pulse appropriately according to input data is used as the modulation signal generator 127. be able to.
[0073]
When performing the pulse width modulation method, the modulation signal generator 127 generates a voltage pulse having a constant peak value and modulates the width of the voltage pulse appropriately according to input data. A circuit can be used.
[0074]
For the shift register 124 and the line memory 125, either a digital signal type or an analog signal type can be adopted. This is because the serial / parallel conversion and storage of the image signal may be performed at a predetermined speed.
[0075]
When the digital signal type is used, it is necessary to convert the output signal DATA of the synchronizing signal separation circuit 126 into a digital signal. For this purpose, an A / D converter may be provided at the output section 126. In this connection, the circuit used for the modulation signal generator 127 is slightly different depending on whether the output signal of the line memory 125 is a digital signal or an analog signal. That is, in the case of the voltage modulation method using a digital signal, for example, a D / A conversion circuit is used as the modulation signal generator 127, and an amplification circuit and the like are added as necessary. In the case of the pulse width modulation method, the modulation signal generator 127 includes, for example, a high-speed oscillator, a counter for counting the number of waves output from the oscillator, and a comparator for comparing the output value of the counter with the output value of the memory. (Comparator) is used. If necessary, an amplifier for voltage-amplifying the pulse-width-modulated signal output from the comparator to the drive voltage of the electron-emitting device can be added.
[0076]
In the case of a voltage modulation method using an analog signal, for example, an amplification circuit using an operational amplifier or the like can be used as the modulation signal generator 127, and a level shift circuit or the like can be added as necessary. In the case of the pulse width modulation method, for example, a voltage-controlled oscillation circuit (VCO) can be employed, and an amplifier for amplifying the voltage up to the driving voltage of the electron-emitting device can be added as necessary.
[0077]
In the image display device to which the present invention can be applied, an electron emission is generated by applying a voltage to each of the electron-emitting devices via the external terminals Dox1 to Doxm and Doy1 to Doyn. A high voltage is applied to the metal back 105 or a transparent electrode (not shown) via the high voltage terminal Hv to accelerate the electron beam. The accelerated electrons collide with the fluorescent film and emit light to form an image.
[0078]
The configuration of the image forming apparatus described here is an example of an image forming apparatus to which the present invention can be applied, and various modifications are possible. Although the NTSC system has been described as the input signal, the input signal is not limited to the NTSC system, but may be a PAL or SECAM system or a TV signal including a larger number of scanning lines (for example, a MUSE system or the like). A high-quality TV) system can also be adopted.
[0079]
The application of the film forming apparatus and the film forming method of the present invention to an electron-emitting device, an electron source, and an image forming apparatus has been described. However, by using the film forming apparatus and the film forming method of the present invention, various devices can be used. Application can be expected, and effects such as enlargement of area, improvement of uniformity, and cost reduction can be realized.
[0080]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0081]
[Example 1]
In this embodiment, an example in which a carbon film is formed on a substrate using the apparatus shown in FIG. 1 will be described.
[0082]
First, in a vacuum chamber 1 provided with a dry pump and a turbo molecular pump as a vacuum evacuation mechanism 9, a 1 mm tungsten wire is stretched 10 cm as a first filament 4, and a 0.5 mm cobalt wire is stretched as a second filament 5. Similarly, it was arranged 10 cm. An AC power source was connected to each of the first and second filaments.
[0083]
Next, the Si substrate is placed on the substrate holder 2 in the apparatus, and 1 × 10 -5 The chamber was evacuated to Pa.
[0084]
Next, CH is used as a source gas. 4 And hydrogen mixed at a ratio of 1: 5 was introduced into the apparatus, and the pressure was adjusted to 0.1 Pa.
[0085]
Subsequently, a voltage was applied to the first filament 4 to heat it to 1800 ° C., and further, the second filament 5 was heated to 800 ° C. to start film formation.
[0086]
The above state was maintained for 30 minutes, the heating of the first filament and the second filament was stopped, the supply of the source gas was stopped, and the film formation was completed.
[0087]
When the film formed as described above was analyzed by SIMS, it was possible to mix cobalt in the carbon film in an amount of 1.0 atm%.
[0088]
[Example 2]
A carbon film was formed using the apparatus shown in FIG. The film forming apparatus of the present embodiment has a configuration in which a power supply 12 for substrate bias is provided to the film forming apparatus of the first embodiment.
[0089]
The film formation conditions were the same as those in Example 1, and a voltage of 250 V was applied to the substrate. As a result of analyzing the carbon film thus formed by SIMS, 0.7 atm% of cobalt could be mixed into the carbon film.
[0090]
[Example 3]
In this embodiment, an example in which a carbon film is formed on a substrate using the apparatus shown in FIG. 4 will be described.
[0091]
As in Example 1, the first filament 4 and the second filament 5 were arranged in the vacuum chamber 1. Here, a tungsten wire having a diameter of 1 mm was used as the first filament 4 and a nickel wire having a diameter of 0.5 mm was used as the second filament 5. A power supply 12 for applying a voltage was connected to the substrate, and a control electrode 13 was provided above the first and second filaments so as to face the substrate.
[0092]
In the apparatus set up in this way, C 2 H 4 And H 2 Was introduced and kept at 0.1 Pa.
[0093]
Next, after applying a voltage of 250 V to the substrate and applying a voltage of -100 V to the control electrode, the first filament and the second filament were each heated. The first filament was set at 1800 ° C., and the second filament was set at 900 ° C.
[0094]
Under these conditions, a current value of 30 mA was observed on the substrate, and a current value of 0.5 mA was observed on the control electrode. In this state, the film was held for one hour to complete the film formation.
[0095]
As a result of analyzing the film formed as described above by SIMS, 0.7 atm% of nickel could be mixed into the carbon film.
[0096]
In the present embodiment, the current value of the substrate was more stable and the uniformity was improved as compared with the second embodiment.
[0097]
[Example 4]
A carbon film was formed using the same film forming apparatus as in Example 3. However, the voltage applied to the substrate was -50 V, and the voltage applied to the control electrode was 100 V.
[0098]
Under the above film forming conditions, the substrate was irradiated with ions. As a result of analyzing the carbon film thus formed by SIMS, it was possible to mix 0.5 atm% of nickel.
[0099]
[Example 5]
In this embodiment, an example in which a carbon film is formed on a substrate using the apparatus shown in FIG. 3 will be described.
[0100]
As the first filament 4, a 1 mm tungsten wire was processed into a coil shape so as to have a diameter of 15 mm, and a 0.5 mm cobalt wire as the second filament 5 was inserted into the center of the coil shape.
[0101]
The filament thus formed is placed in the vacuum chamber 1 and CH 4 And H 2 Was introduced into the apparatus and kept at 0.5 Pa.
[0102]
Next, the first filament 4 was electrically heated to 1800 ° C. As a result, the second filament 5 was heated to about 400 ° C. by radiant heat. At the same time, a voltage of 100 V was applied to the second filament 5 and a voltage of -50 V was applied to the substrate to form a carbon film.
[0103]
As a result of analyzing the carbon film formed as described above by SIMS, 0.6 atm% of cobalt could be mixed.
[0104]
[Example 6]
In this example, as shown in FIG. 6, a carbon film was formed using a film forming apparatus in which the first and second filaments were arranged on substantially the same plane and so as to cover the upper surface of the substrate.
[0105]
Tungsten was processed as the first filament 4 so as to cover an area of 20 cm × 20 cm, and nickel was processed as the second filament 5 in the same shape. When a film was formed using the filament having this shape, a carbon film could be formed uniformly over a large area.
[0106]
[Example 7]
A carbon film was formed using the apparatus shown in FIG. In this embodiment, the first filament 4 was kept at 1800 ° C. and the temperature of the second filament 5 was raised at a constant rate from 500 ° C. to 1000 ° C. during the film formation.
[0107]
As a result, according to SIMS analysis, an inclined concentration distribution in which the cobalt concentration increased from the substrate of the carbon film toward the surface was obtained.
[0108]
Example 8
The carbon films formed in Examples 1 to 6 were heat-treated in the vacuum chamber 1 of the device. The heat treatment condition is C 2 H 2 After the film formation, a heat treatment was performed at 550 ° C. for 1 hour in a vacuum chamber in a mixed gas atmosphere of hydrogen and hydrogen. When the carbon film was observed by TEM, metal particles could be formed in the carbon film as shown in FIG. The electron emission characteristics of these carbon films were measured in vacuum. 5 Electron emission was observed in an electric field of V / cm.
[0109]
[Example 9]
This embodiment is an example in which an electron-emitting device as shown in FIG. 8 is manufactured.
[0110]
A plurality of substrates 81 prepared by depositing Ta with a thickness of 300 nm as a cathode electrode 82 using Si were prepared.
[0111]
After a carbon film was formed on the substrate on which the cathode electrode was formed by the same apparatus and method as in Examples 1 to 6, the same heat treatment as in Example 8 was performed to form an electron emission film 83.
[0112]
Thereafter, the insulating layer 84 is made of SiO 2 A film was deposited to a thickness of 1 μm, and Ta was deposited to a thickness of 100 nm as a gate electrode 85 to form a laminated structure. Next, after forming a 1 μm opening region in the Ta gate, the insulating layer was etched with buffered hydrofluoric acid to expose the electron emission film 83.
[0113]
When the devices thus formed were placed in a vacuum and a voltage was applied between the gate electrode 85 and the cathode electrode 82, electron emission was observed in all devices.
[0114]
[Example 10]
This embodiment is an example in which an image forming apparatus is manufactured using an electron source in which the electron-emitting devices as shown in FIG. 8 are arranged in a matrix.
[0115]
The manufacturing method of the electron-emitting device of Example 9 was extended, and the electron-emitting devices were arranged on a substrate in a 200 × 300 matrix at a pitch of 300 μm horizontally and 300 μm vertically. At the time of carbon film formation, a large area carbon film can be formed and metal particles are uniformly mixed by arranging a plurality of filaments in an area of 30 cm × 30 cm in a vacuum chamber of the film forming apparatus. Was completed.
[0116]
As shown in FIG. 9, the matrix wiring connecting each element was connected to the cathode electrode 82 on the X side and to the gate electrode 85 on the Y side. In addition, a phosphor was disposed on each element. As a result, a high-definition image forming apparatus capable of matrix driving was formed.
[0117]
【The invention's effect】
As described above, by using the film forming apparatus and the film forming method of the present invention, a desired element can be mixed into a film, and a film with low cost, large area, and excellent uniformity is realized. can do.
[0118]
In addition, by applying the film forming method of the present invention to the film formation of the electron emission film, an emission current amount for causing the phosphor to emit light with sufficient luminance can be obtained, and the function can be uniformly exhibited over a large area. An electron-emitting device, an electron source, and a high-definition image forming apparatus can be realized at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a film forming apparatus of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of vapor pressures of elements according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing a film forming apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing a film forming apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing a film forming apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of a filament configuration in a film forming apparatus of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a structure of a film formed by the film forming apparatus of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a structure of an electron-emitting device according to the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram of an electron source having a simple matrix arrangement according to the present invention.
FIG. 10 is a schematic view showing an image forming apparatus according to the present invention.
FIG. 11 is a drive configuration diagram of the image forming apparatus according to the present invention.
FIG. 12 is a schematic view showing a conventional film forming apparatus.
FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a conventional electron-emitting device.
FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a conventional electron-emitting device.
[Explanation of symbols]
1 vacuum chamber
2 Board holder
3 substrate
4 First filament
5 Second filament
6,7 filament heating power supply
8 Gas inlet
9 Exhaust mechanism
10 membranes
11 Potential control power supply
12 Substrate bias power supply
13 Control electrode
14 Power supply for control electrode
15 Second filament potential control power supply
17 conductive particles
18 Graphite layer
71 Substrate
72 Cathode electrode
73 electron emission film
81 substrate
82 Cathode electrode
83 electron emission film
84 insulating layer
85 Gate electrode
86 opening (electron emission part)
91 Electron source board
92 X direction wiring
93 Y direction wiring
94 electron-emitting device
101 Rear plate
102 support frame
103 glass substrate
104 fluorescent film
105 metal back
106 face plate
107 envelope
113 High voltage terminal
121 Image display panel
122 scanning circuit
123 control circuit
124 shift register
125 line memory
126 Synchronous signal separation circuit
127 Modulation signal generator
131 substrate
132 Cathode electrode layer
134 insulating layer
135 Gate electrode layer
136 microchip
141 substrate
142 Cathode electrode
143 electron emission film
144 insulation layer
145 gate electrode
146 holes
