JP2005019191A - 電子放出素子、電子源、及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カソード電極が掘り込まれた構造になっており、その掘り込まれた部位に電子放出部が形成する。
【解決手段】駆動はノーマリーＯＮで電子放出して、変調電極の電位をカソード電極の電位よりも低くすることにより、電子放出を止める。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子放出素子、電子源、及び画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子放出素子には、大別して熱電子放出素子と冷陰極電子放出素子の２種類のものが知られている。冷陰極電子放出素子には、電界放出型（以下、「ＦＥ型」という。）や、金属／絶縁層／金属型（以下、「ＭＩＭ型」という。）等がある。
【０００３】
ＦＥ型の一例の概略断面構造を図１３に示す。なお、図中３０１は基板、３０２はカソード電極、３０３は絶縁層、３０４はゲート電極、３０５はエミッタである。この構造は、カソード電極上に配置された、絶縁層とゲート電極との積層体に開口を形成し、この開口内に円錐状のエミッタを配置した、所謂「スピント型」構造である。尚、このように、カソード電極、ゲート電極、アノード電極とで構成される電子放出素子は、３端子型の電子放出素子と呼ばれる。
【０００４】
スピント型の電子放出素子は、放出点としてマイクロチップ（円錐状のエミッタ）が形成され、その先端（円錐の頂点）から電子が放出される。スピント型においては、マイクロチップ先端から放出された電子は放射状に飛び出す傾向にある。そのためアノードに到達する電子ビームのスポット形状が、大きくなってしまう傾向がある。また、均一に素子を製造するのが困難なため、素子間での電子放出特性が均一になり難い。さらに、この例では、１放出点から電子が放出されるので、蛍光体を強く発光させるために放出電流密度を大きくすると、電子放出部の熱的な破壊を誘起し、素子の寿命を制限することになる可能性がある。また、真空中に存在するイオンがマイクロチップ先端を集中的にスパッタし素子の寿命を縮める事もある。そして、絶縁層を介してカソード電極とゲート電極を積層した構造となっているため、表示画素数の増大に伴い、駆動時に、電子放出素子の持つ素子容量に起因して消費電力が増大してしまう。
【０００５】
スピント型の電子ビームの広がりを小さくする例としては、電子放出部上方、電子放出部と陽極との間に集束電極を配置した例がある。この例では、放出された電子ビームを集束電極の負電位により絞るのだが、電子放出部と集束電極との間隔を正確に保つことが非常に困難であり、また、電子放出部と集束電極の位置合わせが困難である。よって、製造工程がより複雑になってしまい、製造コストの増大を招いてしまう。
【０００６】
また、電子ビームの広がりを小さくする別の例としては、開口内に円錐状のエミッタを配置せず、膜状のエミッタを配置した構造が開示されている（例えば特許文献１、特許文献２など参照）。このような電子放出素子の概略断面構造を図１４に示す。なお、図中３０１は基板、３０２はカソード電極、３０３は絶縁層、３０４はゲート電極、３０５は電子放出膜である。これはカソード電極上に配置された絶縁層とゲート電極に形成された開口がカソードまで掘り込まれ、且つカソード電極上に形成された電子放出膜の表面がカソード電極と絶縁層との界面よりも基板側にあることによって、電子ビームの広がりを低減しようとするものである。
【０００７】
また、カソード電極とアノード電極の２端子構造で、アノード電極に印加した電圧が形成する電界によって、エミッタから電子を放出させる構造が開示されている（例えば特許文献３参照）。このような電子放出素子の一例の概略断面構造を図１５に示す。なお、図中３０１は基板、３０２はカソード電極、３０５は電子放出膜、３０６はアノード電極である。
【０００８】
また、図１５に示した２端子構造と同様に、アノード電極とカソード電極との間の電界により電子を放出する構造ではあるが、さらに変調電極を設けた３端子構造の電子放出装置も開示されている（例えば特許文献４参照）。この３端子構造の電子放出装置の概略断面図を図１６に示す。なお、図１６中３０１は基板、３０２はカソード電極、３０３は絶縁層、３０５は電子放出膜、３０６はアノード電極、３０７は変調電極である。この例は、アノード電極に印加した電圧が形成する電界によって、電子放出膜のエッジ部から電子を放出させる電子放出素子で、アノード電極に印加する電圧は一定に保ち、変調電極にカソード電極よりも低い電圧を印加することによって電子放出を止める制御をする電子放出素子である。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−９６７０４号公報
【特許文献２】
特開平８−１１５６５４号公報
【特許文献３】
米国特許第５５５１９０３号明細書
【特許文献４】
特開２００２−１７０４８３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ディスプレイ等の画像形成装置においては、より高精細な解像度が要求されている。ディスプレイの高精細化のためには、電子放出膜から蛍光体に照射される電子ビームの径が小さいことが必要である。そして、電子放出素子をディスプレイ等の画像形成装置に応用するには、低消費電力で駆動できることが望まれる。
【００１１】
しかし、図１４に示した構造では、電子放出膜３０５の表面のちょっとした凹凸や、放出電子の持つ放出時のエネルギーにより、電子が開口の側壁方向に放出され、絶縁層３０３に衝突し、その表面をチャージアップする可能性や、ゲート電極３０４に衝突する可能性を完全にゼロには出来ない。
【００１２】
また、図１５、１６に示した構造では、アノード電極３０６に印加した電圧が形成する電界によって、電子放出膜３０５から電子を放出させるため、電子放出膜３０５の端部に最大の電界がかかり、結果として放出電子のビーム径が広がる傾向にある。また、電子放出膜３０５が大きくなるに従って、電子放出膜の端部と中心部に印加される電界強度に差が出るため、アノード電極３０６に達する電子の分布が一様にならない。例えば電子放出膜３０５が形成されている凸部が円形であれば、アノード電極に達する電子の分布形状は略ドーナツ型となってしまう。その結果、各画素に必要電子電流量を得ようとすると、アノード電極に達する電子の分布形状に応じて、アノード電極上の蛍光体の部分的焼きつきが起き易くなる。また、アノード電極３０６に印加する電圧によって電子を引き出しているので、アノード電極の裏面に位置する蛍光体（不図示）を十分な輝度で発光させるためには、大きいアノード電圧を印加する必要がある。しかし、この構成ではアノード電極は変調電圧を兼ねているため、アノード電極に高電圧をかけ難い。これらを改善するために、アノード電極と電子放出膜との距離Ｈを短くすると、放出電子のビーム径は小さくなり、電子を放出させるために必要となるアノード電圧は低くなるが、逆に、放出された電子のエネルギーが小さくなってしまい、蛍光体を十分な輝度で発光させることが困難となってしまう。
【００１３】
本発明は、上記従来例の問題点に対処するため、及び改善するためになされたものであって、その目的は、主に、電子放出膜から蛍光体に照射される電子ビームの径を小さくすることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、電子放出装置であって、カソード電極と、該カソード電極と対向して配置されるアノード電極と、前記アノード電極に対向する、前記カソード電極の表面に配置された電子放出膜と、を備えており、前記カソード電極の表面のうちの、前記アノード電極に対向する表面は、第１の領域と、該第１の領域の周囲を取り巻く第２の領域と、を有しており、前記第１の領域と前記アノード電極との距離が、前記第２の領域と前記アノード電極との距離よりも大きく、前記電子放出膜は、前記第１の領域上に配置されており、前記電子放出膜の表面と前記アノード電極との距離が、前記第２の領域と前記アノード電極との距離よりも大きく、前記アノード電極と前記電子放出膜との電位差によって生じる電界によって、前記電子放出膜から電子が放出されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の電子放出装置においては、さらに、「前記電子放出膜からの放出電子を停止または変調するための変調電極を有すること」、「前記カソード電極の表面と前記アノード電極との距離が、前記変調電極と前記アノード電極との距離よりも短いこと」、「前記カソード電極の表面と前記アノード電極との距離が、前記変調電極と前記アノード電極との距離よりも長いこと」、「前記電子放出膜は、炭素を主成分とすること」、「前記電子放出膜は、ダイヤモンド構造またはグラファイト構造を含むこと」、「前記電子放出膜は、導電性のファイバー状の物質を含むこと」、「前記導電性のファイバー状の物質は、炭素を主体とすること」、「前記導電性のファイバー状の物質は、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバー、アモルファスカーボンファイバーの中から選択された少なくとも一つを含むこと」をも、その特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明は、上記した本発明の電子放出装置における、前記カソード電極および電子放出膜を基板上に複数配列して構成したものをも、その特徴とする。
【００１７】
さらに、本発明は、上記した電子放出装置を複数配列して形成したディスプレイ装置をも、その特徴とする。尚、上記ディスプレイ装置においては、全ての電子放出装置のアノード電極として、一つの共通のアノード電極を用いる場合、または、各電子放出装置それぞれに独立したアノード電極を用いる場合、さらには、複数の電子放出装置をいくつかのグループにわけ、その各グループ各々に、１つの共通のアノード電極を用いる場合がある。
【００１８】
【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。
【００１９】
本発明の電子放出素子の特徴は、カソード電極の電位とアノード電極の電位（カソード電極の電位よりも高い電位）との差によって形成される電界によって電子放出膜から電子を引き出す電子放出素子である。そして、本発明の電子放出装置においては、カソード電極がその表面（アノード電極と対向する表面）に凹部を有し、その凹部に電子放出膜が配置されており、変調電極にカソード電極よりも低い電圧を印加することによって電子放出膜から放出される電子の変調制御および電子放出を止める制御をする電子放出装置であることである。
【００２０】
上記した本発明の電子放出装置の構成では、アノード電極に対向する、カソード電極の表面が掘り込まれており、その掘り込み（凹部）内に電子放出膜が形成されている。そのため、その掘り込み内に形成される等電位面が凹型（電子放出膜に向かって凸型）となる。その結果、電子放出膜から放出される電子が広がらず、陽極であるアノード電極に到達した時の電子のビーム径を小さくすることができる。
【００２１】
また、カソード電極の上に絶縁層を堆積していないため、放出された電子が絶縁層に衝突し、絶縁層をチャージアップさせる恐れが無い。
【００２２】
さらに、変調電極をカソード電極よりも基板側（アノード電極から離れた側）に配置することにより、放出された電子が変調電極に流れ、電子放出効率が低下（無効電流が上昇）することを防ぐことが出来る。
【００２３】
図２は、本発明の電子放出装置の一例の、カソード電極１２と変調電極１４と電子放出膜１５とからなる部分の概略平面図であり、図１は、図２におけるＡ−Ａ′線での概略断面図を示す。
【００２４】
図１及び図２において、１１は基板、１２はカソード電極、１３は絶縁層、１５は電子放出膜、１７は変調電極である。
【００２５】
カソード電極１２表面の凹部の深さ及び幅は、カソード電極材料や電子放出膜１５の材料の仕事関数や、駆動時の電圧や、必要とする放出電子ビームの形状等により適宜設定される。
【００２６】
また、同一の蛍光体領域（例えば１画素（同一発光色の領域）の蛍光体）に照射するために複数の電子放出膜を配置する構成の場合には、カソード電極に複数の凹部が配置されることになる。しかし、それら複数のカソード電極の凹部の深さ及び幅は、大きさが異なっていても良いし、同じであっても良い。
【００２７】
図１及び図２において、電子放出部側のみを図示しているが、本発明の電子放出装置を駆動する際には、図４に示すように、電子放出部から放出された電子を引きつけるアノード電極１６をカソード電極１２の電子放出膜１５が配置された表面と対向して設ける。
【００２８】
尚、ここでは、カソード電極１２と変調電極１７とを絶縁層を介して積層した形態例を示したが、図３に示すように、同一基板１１表面上に、カソード電極１２と変調電極１７とを並べて配置する形態であってもよい。また、このように配置する場合においては、カソード電極１２の、アノード電極１６に対向する表面が、変調電極１７の、アノード電極１６に対向する表面よりも、アノード電極側に近づくように配置することによって、より低電界で電子を放出することができる。また、逆に、カソード電極１２の、アノード電極１６に対向する表面が、変調電極１７の、アノード電極１６に対向する表面よりも、アノード電極側から遠いように配置することによって、放出された電子ビームをより集束することができる。
【００２９】
尚、本発明においては、カソード電極１２の、アノード電極１６に対向する表面は、第１の領域と、該第１の領域の外周を取り巻く第２の領域とで構成される。すなわち、前記第１の領域（凹部内のカソード電極表面）と前記アノード電極との距離が、前記第２の領域（凹部外のカソード電極表面）と前記アノード電極との距離よりも大きく設定される。そして、電子放出膜１５は、前記第１の領域に配置され、電子放出膜１５の表面とアノード電極１６との距離が、第２の領域（凹部外のカソード電極表面）とアノード電極１６との距離よりも大きい。
【００３０】
図５は、図１に示した本発明の電子放出装置の一部（カソード電極と変調電極と電子放出膜とからなる部分）の製造方法の一例を示した概略断面図である。
【００３１】
まず、図５（ａ）に示すように、基板１１上に、変調電極１７、絶縁層１３及びカソード電極１２を積層する。
【００３２】
予め、その表面を十分に洗浄した、石英ガラス、Ｎａ等の不純物含有量を減少させたガラス、青板ガラス、シリコン基板等にスパッタ法等によりＳｉＯ_２を積層した積層体、アルミナ等セラミックスの絶縁性基板のうち、いずれか一つを基板１１として用い、基板１１上に変調電極１７、絶縁層１３及びカソード電極１２を積層する。
【００３３】
変調電極１７及びカソード電極１２は、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術により形成される。変調電極１７及びカソード電極１２の材料は、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、ＨｆＢ２、ＺｒＢ２、ＬａＢ６、ＣｅＢ６、ＹＢ４、ＧｄＢ４等の硼化物、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ等の窒化物、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体等から適宜選択される。
【００３４】
変調電極１７及びカソード電極１２の厚さとしては、電極ライン部を含め、数十ｎｍから数ｍｍの範囲で設定され、好ましくは数十ｎｍから数μｍの範囲で選択される。
【００３５】
なお、変調電極１７とカソード電極１２は、同一材料でも異種材料でも良く、また、同一形成方法でも異種方法でも良い。
【００３６】
絶縁層１３は、スパッタ法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、蒸着法等の一般的な真空成膜法により形成することができる。また、その厚さとしては、数十ｎｍから数μｍの範囲で設定され、好ましくは数百ｎｍから数μｍの範囲から選択される。望ましい材料としてはＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＣａＦなどの高電界に耐えられる耐圧の高い材料が望ましい。
【００３７】
次に、図５（ｂ）に示すように、カソード電極１２上に、フォトリソグラフィー技術によってマスクパターン１８ａを形成する。マスクパターン１８ａは、カソード電極に掘り込み（凹部）を形成するためにエッチングされる部分を除いて形成される。
【００３８】
そして、図５（ｃ）に示すように、カソード電極を掘り込み、カソード電極に凹型の掘り込み（凹部）を形成する。本エッチング方法は、エッチング対象であるカソード電極１２の材料に応じて選択すれば良い。
【００３９】
続いて、図５（ｄ）に示すように、電子放出膜１５を堆積する。
【００４０】
電子放出膜１５はＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術により形成される。電子放出膜１５の材料は、例えば、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブなどのカーボンファイバーやファイバー状の導電性材料、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボン、ダイヤモンドを分散した炭素及び炭素化合物等から適宜選択される。好ましくは仕事関数の低い炭素化合物が良い。電子放出膜１５の膜厚としては、数ｎｍから数μｍの範囲で設定され、好ましくは数ｎｍから数百ｎｍの範囲で選択される。この時、電子放出膜の膜厚は、カソード電極上の凹型の掘り込みの掘り込み深さよりも薄く設定する。
【００４１】
次に、図５（ｅ）に示すように、マスクパターン１８ａを除去し、続いて、フォトリソグラフィー技術によってマスクパターン１８ｂを形成する。マスクパターン１８ｂは、カソード電極を形成するためにエッチングされる部分を除いて形成される。
【００４２】
そして、図５（ｆ）に示すように、カソード電極及び絶縁層を貫通してカソード電極を形成する。この時、貫通しなければ変調電極を掘り込んでも構わない。本エッチング方法は、エッチング対象であるカソード電極と絶縁層の材料に応じて選択すれば良い。
【００４３】
最後に、図５（ｇ）に示すように、マスクパターン１８ｂを除去し、電子放出素子が完成する。
【００４４】
本実施の形態に係る電子放出素子を適用した応用例について以下に述べる。本実施の形態に係る電子放出素子は、その複数個を基体上に配列することによって、例えば電子源又は画像形成装置を構成することができる。
【００４５】
図６を用いて、本発明の電子放出素子を複数は配して得られる電子源について説明する。
【００４６】
１２１は電子源基体、１２２はＸ方向配線、１２３はＹ方向配線、１２４は本発明の電子放出素子、１２５は結線である。
【００４７】
Ｘ方向配線１２２は、Ｄｘ１、Ｄｘ２、…Ｄｘｍのｍ本の配線から成り、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形成することが出来る。配線の材料、膜厚、幅は適宜設計される。Ｙ方向配線１２３は、Ｄｙ１、Ｄｙ２、…Ｄｙｎのｎ本の配線から成り、Ｘ方向配線１２２と同様に形成される。
【００４８】
これらｍ本のＸ方向配線１２２とｎ本のＹ方向配線１２３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。ここで、ｍ及びｎは共に正の整数である。
【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ＳｉＯ_２等で構成される。不図示の層間絶縁層は、例えば、Ｘ方向配線１２２を形成した基体１２１の全面或いはその一部に所望の形状で形成され、特にＸ方向配線１２２とＹ方向配線１２３と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１２２とＹ方向配線１２３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１２４を構成する一対の電極層（不図示（カソード電極１２及びゲート電極１４である））は、ｍ本のＸ方向配線１２２及びｎ本のＹ方向配線１２３と導電性金属等から成る結線１２５によって電気的に接続されている。
【００５１】
Ｘ方向配線１２２、Ｙ方向配線１２３、結線１２５、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いても良い。
【００５２】
これらの材料は、例えば、前述の電子放出素子１２４の素子電極であるカソード電極１２及びゲート電極１４の材料より適宜選択される。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出来る。また、素子電極を配線電極として用いることも出来る。
【００５３】
Ｘ方向配線１２２には、Ｘ方向に配列した電子放出素子１２４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１２３には、Ｙ方向に配列した電子放出素子１２４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１２４に印加される駆動電圧は、当該電子放出素子１２４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。
【００５４】
上記構成においては、単純なマトリクス配線を用いて、個別の電子放出素子１２４を選択し、独立に駆動可能とすることが出来る。
【００５５】
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７を用いて説明する。図７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。
【００５６】
１２１は電子放出素子を複数配した電子源基体、１３１は電子源基体１２１を固定したリアプレート、１３６はガラス基体１３３の内面に画像形成部材である蛍光体としての蛍光膜１３４とメタルバック１３５等が形成されたフェースプレートである。
【００５７】
１３２は支持枠であり、支持枠１３２には、リアプレート１３１、フェースプレート１３６がフリットガラス等を用いて接続されている。
【００５８】
１３７は外囲器であり、例えば、大気中あるいは窒素中で、４００〜５００度の温度範囲で１０分以上焼成することで、封着して構成される。
【００５９】
なお、リアプレート１３１は主に基体１２１の強度を補強する目的で設けられるため、基体１２１自体で十分な強度を持つ場合は、別体のリアプレート１３１は不要とすることが出来る。即ち、基体１２１に直接支持枠１３２を封着し、フェースプレート１３６、支持枠１３２及び基体１２１で外囲器１３７を構成しても良い。
【００６０】
一方、フェースプレート１３６、リアプレート１３１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もつ外囲器１３７を構成することも出来る。
【００６１】
なお、本発明の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１２４上部に蛍光体（蛍光膜１３４）をアライメントして配置する。
【００６２】
図８は、本件のパネルに使用した蛍光膜１３４を示す模式図である。カラーの蛍光膜の場合は、蛍光体１４２の配列により図８（ａ）に示すブラックストライプ又は図８（ｂ）に示すブラックマトリクスと呼ばれる黒色導電材１４１と蛍光体１４２とから蛍光膜１３４構成した。
【００６３】
以上のような画像形成装置は、テレビジョン放送の表示装置、テレビ会議システムやコンピューター等の表示装置の他、感光性ドラム等を用いて構成された光プリンターとしての画像形成装置等としても用いることが出来る。
【００６４】
（実施例）
以下、本実施の形態についての実施例を詳細に説明する。
【００６５】
［実施例１］
図１に本発明により作製した電子放出素子の概略斜視図の一例を示す。
以下に、本実施例の電子放出素子の製造工程を詳細に説明する。
【００６６】
（工程１）
まず、図５（ａ）に示すように、基板１１に石英を用い、十分洗浄を行った後、スパッタ法により、基板１１上に、変調電極１７として厚さ３００ｎｍのＷ、絶縁層１３として厚さ２００ｎｍのＳｉＯ_２、カソード電極１２として厚さ２００ｎｍのＴｉＮを堆積した。
【００６７】
（工程２）
次に、図５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーで、ポジ型フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）のスピンコーティング、フォトマスクパターンを露光、現像し、マスクパターン１８ａを形成した。
【００６８】
マスクパターン１８ａは、次工程でカソード電極に凹型の掘り込みを形成するためにドライエッチングされる部分を除いて形成される。
【００６９】
（工程３）
そして、図５（ｃ）に示すように、マスクパターン１８ａをマスクとして、ＣＦ_４を用いて、カソード電極１２をドライエッチングし、カソード電極を掘り込み、カソード電極に凹型の掘り込みを形成した。本実施例では、カソード電極１２の掘り込みの幅を２μｍ、深さを１００ｎｍとした。
【００７０】
（工程４）
続いて、図５（ｄ）に示すように、ＣＶＤ法により、電子放出膜１５として厚さ５０ｎｍのダイヤモンドライクカーボンを堆積した。反応ガスは、ＣＨ_４とＨ_２とＮ_２の混合ガスを用いた。
【００７１】
（工程５）
次に、図５（ｅ）に示すように、マスクパターン１８ａを完全に除去し、フォトリソグラフィーで、ポジ型フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）のスピンコーティング、フォトマスクパターンを露光、現像し、マスクパターン１８ｂを形成した。
【００７２】
マスクパターン１８ｂは、次工程でカソード電極を形成するためにドライエッチングされる部分を除いて形成される。
【００７３】
（工程６）
そして、図５（ｆ）に示すように、マスクパターン１８ｂをマスクとして、ＣＦ_４を用いて、カソード電極１２及び絶縁層１３をドライエッチングによって貫通し、カソード電極を形成した。本実施例では、カソード電極１２の幅は約６μｍとした。
【００７４】
（工程７）
最後に、図５（ｇ）に示すように、マスクパターン１８ｂを完全に除去し、本実施例の電子放出素子を完成させた。
【００７５】
以上のようにして作製した電子放出素子を図４に示すように配置して電子を放出させた。ここで、１６はアノード電極、Ｈはカソード電極とアノード電極との間の間隔、Ｖｃは変調電極１７とカソード電極１２との電位差、Ｖａはカソード電極１２とアノード電極１６との電位差である。Ｖａによって形成された電界によって電子放出膜１５から電子が放出され、アノード電極１６に引き付寄せられる。
【００７６】
本実施例では、Ｖｃ＝０Ｖ、Ｖａ＝５ｋＶ、Ｈ＝１ｍｍとした。
【００７７】
ここで、アノード電極１６として蛍光体を塗布した電極を用い、電子ビーム径を観察した。ここで言う電子ビーム径とは、発光した蛍光体のピーク輝度の１０％の領域までのサイズである。電子ビーム径は図の左右方向で約２０μｍとなった。よって本実施例の電子放出素子では、ビーム径を非常に小さくすることが出来る。
【００７８】
また、変調電極１７の電位をカソード電極１２の電位と比べて２５Ｖ低くすることによって、つまりＶｃ＝２５Ｖとすることによって、電子が全く放出されない状態となった。
【００７９】
本実施例では、カソード電極が１種類の材料からなっているが、カソード電極が複数の層からなっていても構わない。また、分離したカソード電極同士、及びカソード電極と電子放出膜とが電気的に接続されていれば、カソード電極間に絶縁層等が挟まれていても構わない。
【００８０】
［実施例２］
図９に本実施例により作製した電子放出素子の概略断面図を示す。本実施例では、電子放出膜をカソード電極で挟んで配置し、カソード電極が凹型に堀り込まれた構造とした例を示す。ここでは、本実施例の特徴部分のみを説明し、重複する説明は省略する。
【００８１】
（工程１）
まず、図１０（ａ）に示すように、基板１１に石英を用い、十分洗浄を行った後、基板１１上に、変調電極１７として厚さ３００ｎｍのＴａ、絶縁層１３として厚さ２００ｎｍのＳｉＯ_２、カソード電極１２ａとして厚さ１００ｎｍのＷ、電子放出膜１５として５０ｎｍのダイヤモンドライクカーボン、カソード電極１２ｂとして５０ｎｍのＷを堆積した。
【００８２】
（工程２）
次に、図１０（ｂ）に示すように、マスクパターン１８ａを形成した。
【００８３】
マスクパターン１８ａは、次工程でカソード電極１２ｂに凹型の掘り込みを形成するためにドライエッチングされる部分を除いて形成される。
【００８４】
（工程３）
そして、図１０（ｃ）に示すように、マスクパターン１８ａをマスクとして、カソード電極１２ｂを電子放出膜１５の表面が露出するまでドライエッチングし、カソード電極に凹型の掘り込みを形成した。本実施例では、カソード電極１２ｂの掘り込みの幅を５μｍとした。また、本実施例では、ドライエッチングを電子放出膜１５の表面で止めているが、電子放出膜１５を貫通しない限り、電子放出膜を掘り込んで形成しても構わない。
【００８５】
（工程４）
次に、図１０（ｄ）に示すように、マスクパターン１８ａを完全に除去し、続いて、マスクパターン１８ｂを形成した。
【００８６】
マスクパターン１８ｂは、次工程でカソード電極部を形成するためにドライエッチングされる部分を除いて形成される。
【００８７】
（工程５）
次に、図１０（ｅ）に示すように、マスクパターン１８ｂをマスクとして、カソード電極１２ｂ、電子放出膜１５、カソード電極１２ａ、及び絶縁層１３をドライエッチングによって貫通し、カソード電極部を形成した。本実施例では、カソード電極の幅は約９μｍとした。
【００８８】
（工程６）
最後に、図１０（ｆ）に示すように、マスクパターン１８ｂを完全に除去し、本実施例の電子放出素子を完成させた。
【００８９】
以上のようにして作製した電子放出素子を実施例１と同様に、図４に示すように配置して電子を放出させた。ここで、カソード電極１２ａ、電子放出膜１５及びカソード電極１２ｂは電気的に接続されており、同電位となっている。
【００９０】
本実施例では、Ｖｃ＝０Ｖ、Ｖａ＝５ｋＶ、Ｈ＝１ｍｍとした。
【００９１】
電子ビーム径は図の左右方向で約１４μｍとなった。
【００９２】
また、変調電極の電位をカソード電極の電位と比べて３５Ｖ低くすることによって、つまりＶｃ＝３５Ｖとすることによって、電子が全く放出されない状態となった。
【００９３】
本実施例では、電子放出膜をカソード電極で挟んだが、カソード電極が複数の層からなっていても構わない。また、分離したカソード電極同士、及びカソード電極と電子放出膜とが電気的に接続されていれば、カソード電極と電子放出膜との間に絶縁層等が挟まれていても構わない。
【００９４】
［実施例３］
図１１に本実施例により作製した電子放出素子の概略断面図を示す。本実施例では、変調電極がカソード電極よりもアノード電極側に配置された構造の例を示す。ここでは、本実施例の特徴部分のみを説明し、重複する説明は省略する。
【００９５】
（工程１）
まず、図１２（ａ）に示すように、基板１１に石英を用い、十分洗浄を行った後、基板１１上に、変調電極１７として厚さ８００ｎｍのＴａを堆積した。
【００９６】
（工程２）
次に、図１２（ｂ）に示すように、マスクパターン１８ａを形成した。
【００９７】
マスクパターン１８ａは、次工程で変調電極１７の外形を形成するためにドライエッチングされる部分を除いて形成される。
【００９８】
（工程３）
そして、図１２（ｃ）に示すように、マスクパターン１８ａをマスクとして、変調電極１７を４５０ｎｍ程度ドライエッチングし、変調電極の外形を形成した。本実施例では、変調電極１７の開口幅を１５μｍとした。
【００９９】
（工程４）
次に、図１２（ｄ）に示すように、マスクパターン１８ａを完全に除去し、続いて、マスクパターン１８ｂを形成した。
【０１００】
マスクパターン１８ｂは、次工程でカソード電極部を形成するためにカソード電極部を形成する部分を除いて形成される。
【０１０１】
マスクパターン１８ｂによって形成される開口幅は９μｍとした。
【０１０２】
（工程５）
続いて、図１２（ｅ）に示すように、絶縁層１３として厚さ２００ｎｍのＳｉＯ_２、カソード電極１２ａとして厚さ１００ｎｍのＷ、電子放出膜１５として５０ｎｍのダイヤモンドライクカーボン、カソード電極１２ｂとして５０ｎｍのＷを堆積した。
【０１０３】
（工程６）
次に、図１２（ｆ）に示すように、マスクパターン１８ｃを形成した。
【０１０４】
マスクパターン１８ｃは、次工程でカソード電極１２ｂに凹型の掘り込みを形成するためにドライエッチングされる部分を除いて形成される。
【０１０５】
（工程７）
そして、図１２（ｇ）に示すように、マスクパターン１８ｃをマスクとして、カソード電極１２ｂを電子放出膜１５の表面が露出するまでドライエッチングし、カソード電極に凹型の掘り込みを形成した。本実施例では、カソード電極１２ｂの掘り込みの幅を５μｍとした。また、本実施例では、ドライエッチングを電子放出膜１５の表面で止めているが、電子放出膜１５を貫通しない限り、電子放出膜を掘り込んで形成しても構わない。
【０１０６】
（工程８）
最後に、図１２（ｈ）に示すように、マスクパターン１８ｂ及び１８ｃを完全に除去し、本実施例の電子放出素子を完成させた。
【０１０７】
以上のようにして作製した電子放出素子を実施例１と同様に、図４に示すように配置して電子を放出させた。ここで、カソード電極１２ａ、電子放出膜１５及びカソード電極１２ｂは電気的に接続されており、同電位となっている。
【０１０８】
本実施例では、Ｖｃ＝０Ｖ、Ｖａ＝５ｋＶ、Ｈ＝１ｍｍとした。
【０１０９】
電子ビーム径は図の左右方向で約１８μｍとなった。
【０１１０】
また、変調電極の電位をカソード電極の電位と比べて３５Ｖ低くすることによって、つまりＶｃ＝３５Ｖとすることによって、電子が全く放出されない状態となった。
【０１１１】
［実施例４］
実施例１〜３の電子放出素子で画像形成装置を作製した。
【０１１２】
電子放出素子を１００×１００のＭＴＸ状に配置した。配線は、図６に示すように、ｘ側をカソード電極と集束電極、ｙ側をゲート電極に接続した。素子は、横１５０μｍ、縦３００μｍのピッチで配置した。素子上部には１ｍｍに距離を隔てた位置に蛍光体を配置した。蛍光体には５ｋＶの電圧を印加した。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。
【０１１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電子放出素子は、カソード電極が凹型に掘り込まれた構造をし、且つその掘り込み内部に電子放出膜を設けた構造をしているため、電子放出膜の近傍での等電位面の形状が凹型となる。その結果、電子放出膜から放出された電子は、電子放出素子をアノード電極側から平面的に見た場合、掘り込み開口の中心へ向かって進むため、アノード電極に到達した時の放出電子のビーム径を小さく設計することが出来る。
【０１１４】
また、スピント型構造の様にチップの先端に電界を集中させ電子を放出させるのではなく、電子放出膜の面から電子を放出させるため、局所的に電流が流れ、様々な要因によって電子放出膜の寿命を制限する恐れが少ない。また、電子放出膜と電気的に接続しているカソード電極上に絶縁層を介してゲート電極が無いため、電子放出膜から放出された電子が絶縁層に衝突し、チャージアップする可能性が無く、さらに、電子放出膜から放出された電子がゲート電極に衝突して効率を低減する可能性が無い。
【０１１５】
また、本発明の電子放出素子は、単純な積層構造で構成されているため作製が容易である。
【０１１６】
また、本発明の電子放出素子を電子源や画像形成装置に適用することによって、性能の優れた電子源及び画像形成装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子放出装置の構成の一例における、一部断面模式図である。
【図２】本発明の電子放出装置の構成の一例における、一部平面模式図である。
【図３】本発明の電子放出装置の構成の一例における、一部断面模式図である。
【図４】本発明の電子放出装置を動作させる時の構成例を示す断面模式図である。
【図５】本発明の電子放出装置の製造方法の一例を示す図である。
【図６】実施の形態に係る単純マトリクス配置の電子源を示す概略構成図である。
【図７】実施の形態に係る単純マトリクス配置の電子源を用いた画像形成装置を示す概略構成図である。
【図８】実施の形態に係る画像形成装置に用いられる蛍光膜を示す図である。
【図９】実施例２に係る電子放出素子を示す概略断面図である。
【図１０】実施例２にかかる電子放出素子の製造方法の一例を示す図である。
【図１１】実施例３に係る電子放出素子を示す概略断面図である。
【図１２】実施例３にかかる電子放出素子の製造方法の一例を示す図である。
【図１３】従来の電子放出素子の一例を示した概略断面図である。
【図１４】従来の電子放出素子の一例を示した概略断面図である。
【図１５】従来の電子放出素子の一例を示した概略断面図である。
【図１６】従来の電子放出素子の一例を示した概略断面図である。
【符号の説明】
１１ 基板
１２ カソード電極
１２ａ カソード電極
１２ｂ カソード電極
１３ 絶縁層
１５ 電子放出膜
１６ アノード電極
１７ 変調電極
１８ａ マスクパターン
１８ｂ マスクパターン
１８ｃ マスクパターン
１２１ 電子源基板
１２２ Ｘ方向配線
１２３ Ｙ方向配線
１２４ 電子放出素子
１２５ 結線
１３１ リアプレート
１３２ 支持枠
１３３ ガラス基体
１３４ 蛍光膜
１３５ メタルバック
１３６ フェースプレート
１４１ 黒色導伝材
１４２ 蛍光体
３０１ 基板
３０２ カソード電極
３０３ 絶縁層
３０４ ゲート電極
３０５ エミッタ
３０６ アノード電極
３０７ 変調電極
Ｄ 電子放出膜とアノード電極との間の間隔
Ｈ カソード電極とアノード電極との間の間隔
Ｖａ アノード電極とカソード電極との間に印加する電圧
Ｖｃ 変調電極とカソード電極との間に印加する電圧

Claims (11)

1. 電子放出装置であって、
   カソード電極と、
   該カソード電極と対向して配置されるアノード電極と、
   前記アノード電極に対向する、前記カソード電極の表面に配置された電子放出膜と、
   を備えており、
   前記カソード電極の表面のうちの、前記アノード電極に対向する表面は、第１の領域と、該第１の領域の周囲を取り巻く第２の領域と、を有しており、
   前記第１の領域と前記アノード電極との距離が、前記第２の領域と前記アノード電極との距離よりも大きく、
   前記電子放出膜は、前記第１の領域上に配置されており、
   前記電子放出膜の表面と前記アノード電極との距離が、前記第２の領域と前記アノード電極との距離よりも大きく、
   前記アノード電極と前記電子放出膜との電位差によって生じる電界によって、前記電子放出膜から電子が放出されることを特徴とする電子放出装置。
2. 前記電子放出装置は、さらに、前記電子放出膜からの放出電子を停止または変調するための変調電極を有することを特徴とする請求項１に記載の電子放出装置。
3. 前記アノード電極に対向する前記カソード電極の表面と前記アノード電極との距離が、前記変調電極と前記アノード電極との距離よりも短いことを特徴とする請求項２に記載の電子放出装置。
4. 前記アノード電極に対向する前記カソード電極の表面と前記アノード電極との距離が、前記変調電極と前記アノード電極との距離よりも長いことを特徴とする請求項２に記載の電子放出装置。
5. 前記電子放出膜は、炭素を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子放出装置。
6. 前記電子放出膜は、ダイヤモンド構造またはグラファイト構造を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電子放出装置。
7. 前記電子放出膜は、導電性のファイバー状の物質を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電子放出装置。
8. 前記導電性のファイバー状の物質は、炭素を主体とすることを特徴とする請求項７に記載の電子放出装置。
9. 前記導電性のファイバー状の物質は、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバー、アモルファスカーボンファイバーの中から選択された少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項７に記載の電子放出装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の前記カソード電極および電子放出膜が同一の基板上に複数配列されてなることを特徴とする電子放出装置。
11. 複数の電子放出装置を用いたディスプレイ装置であって、前記電子放出装置が請求項１乃至６のいずれかに記載された電子放出装置であることを特徴とするディスプレイ装置。

Images