JP3568859B2

JP3568859B2 - 冷陰極及びその冷陰極の製造方法

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Publication number: JP3568859B2
Application number: JP2000018242A
Authority: JP
Inventors: 博大木; 紀基常定; 雅夫浦山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2000-01-27
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2020-01-27
Also published as: JP2001210221A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、先端径、密度、長さを制御した電子源を有する冷陰極にかかる発明であり、特に、信頼性を向上させ、製造コストを低減させる冷陰極に係り、冷陰極ランプ、蛍光表示管、薄型画像形成装置に好適に用いられるものである。
【０００２】
【従来の技術】
陰極線管のように大きな熱エネルギーを与えて熱電子放出を起こすのではなく、強電界を印加することで冷電子を放出する冷陰極に関する研究が、そのデバイス構造、材料などの分野において、盛んに研究、開発されている。
【０００３】
近年、円筒状に巻いたグラファイト層が入れ子状になった形状を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が飯島ら（Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、Ｎａｔｕｒｅ、３５４、５６、１９９１）によって発見され、ダイアモンド、ダイアモンドライクカーボン等と同様に、炭素材料の電子デバイスへの応用が期待されている。
【０００４】
例えば、炭素材料の一つであるＣＮＴを用いた電子デバイスとしては、特開平１０−１２１２４号公報に開示されるように、アルミニウム基板を陽極酸化して形成した酸化皮膜の細孔中に、ＣＶＤ法でＣＮＴを選択成長した３極管構成の電界放出電子源（図６）がある。
【０００５】
ここで、図６の電子放出素子を以下の説明する。電子源はカーボンナノチューブ２で構成され、カーボンナノチューブ２は規則正しく配列した陽極酸化膜の細孔中に設けられた触媒５を利用して形成される。電子源は、間隙６で素子分離され、カソード電極（アルミニウム）３と電気的に接続される。電子放出素子は、カーボンナノチューブ２から電子を引き出すための引き出し電極１が陽極酸化膜表面に設けられ、カーボンナノチューブ２と対向するようにアノード電極４が設けられて構成される。このような電子放出素子は、エミッション電流の電流強度の時間的安定性を改良可能にするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−１２１２４号公報に開示される３極管構成の電子源は、カソード電極（アルミニウム）と引き出し電極とが平行に構成されるため、ＸＹマトリクスで電子源をアドレスすることができないという問題があった。また、製造方法においては、製造過程の熱工程（ＣＶＤ工程）によって、アルミニウムがダメージを受けやすいため、デバイスの信頼性を大きく劣化させるという課題があった。更に、前記電子源は、アルミニウムの堆積、パターニング等で形成されるため、高コストであるという課題も有していた。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、信頼性の高い、ＸＹマトリクス可能な電子源を提供すると共に、このような電子源を低コストで製造することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願発明による冷陰極は、電子源と、前記電子源と電気的に接続されたカソード電極と、ゲート電極と、前記電子源と前記ゲート電極とを電気的に絶縁するためのゲート絶縁層とから構成される冷陰極において、前記ゲート絶縁層が第１のゲート絶縁層と第２のゲート絶縁層とで構成され、前記第２のゲート絶縁層は、前記カソード電極とゲート電極との絶縁層を形成するとともに、開口部を有しており、前記第１のゲート絶縁層は、前記開口部に形成され、前記電子源が形成される鋳型構造を有することを特徴とする。このように、前記第１のゲート絶縁層を開口部、前記第２のゲート絶縁層を開口部の間隙に設けることにより、開口部（電子放出領域）を任意の大きさ、形状に分割可能にする。
【０００９】
また、好ましくは、前記カソード電極と前記ゲート電極とが互いに直交し、該直交する領域に、前記開口部が配設されていることを特徴とする
また、好ましくは、前記第１のゲート絶縁層は細孔を有し、前記ゲート絶縁層の細孔が前記電子源の形状を制御するための鋳型であることを特徴とする。このような鋳型構造とすることにより、電子放出領域の電子源密度、直径を精密制御可能にする。さらに好ましくは、前記鋳型構造の中に形成する電子源をカーボンナノチューブで構成することにより、低電圧駆動可能な、イオン衝撃耐性に優れる電子源を有する冷陰極を提供することが可能となる。
【００１０】
さらに、前記第１のゲート絶縁層がアルミニウムの陽極酸化法による細孔とアルミナ薄膜により構成されていることを特徴とする。このように構成することにより、高精度に配列制御された細孔を有する鋳型構造を形成可能にする。
【００１１】
また、本願発明による冷陰極は、電子源とカソード電極の層間に高抵抗層が配設され、前記電子源が（等価回路的に）並列に、前記高抵抗層と接続されると共に、前記電子源が互いに電気的に絶縁されることを特徴とする。このように構成することにより、個々の電子源が前記高抵抗層に対して並列に接続可能となり、信頼性の高い電流制限機構を配設可能にする。
【００１２】
本願発明による冷陰極の製造方法では、支持基板上にカソード電極を形成する第１の工程と、前記カソード電極上に高抵抗層を形成する第２の工程と、前記高抵抗層上に第１のゲート絶縁層を形成し、第１のゲート絶縁層に細孔を設ける第３の工程と、前記細孔中に、電子源を前記カソード電極と電気的に接続するように形成する第４の工程と、前記第１のゲート絶縁層を形成した領域以外の前記高抵抗層上に第２のゲート絶縁層を形成する第５の工程と、第２のゲート絶縁層上にゲート電極を形成する第６の工程とを含むことを特徴とする。このような製造方法とすることにより、真空装置、フォトリソグラフィーを不要にでき、冷陰極製造の低コスト化を可能にする。
【００１３】
さらに、好ましくは、前記第３の工程がアルミニウム薄膜を前記高抵抗層に貼り合わせる工程と、該アルミニウム薄膜を陽極酸化する工程とを含むことを特徴とする。このような製造方法とすることにより、精密制御された細孔を有する鋳型構造で、冷陰極製造を更に低コスト化可能にする。
【００１４】
また、好ましくは、前記第３の工程がアルミ板、または、アルミ薄膜を陽極酸化する工程と、前記陽極酸化したアルミ板またはアルミ薄膜から陽極酸化皮膜を剥離する工程と、前記陽極酸化皮膜を前記高抵抗層に貼り合わせる工程とを含むことを特徴とする。このような製造方法とすることにより、冷陰極製造を更に低コスト化可能にする。
【００１５】
また、上記電子源は、金属触媒を用いた気相炭素化法、または、プラズマを用いた気相炭素化法で形成することにより、冷陰極製造プロセスを低温化し、第１のゲート絶縁層の熱歪みを低減可能にする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて、本願の好適な実施形態を説明する。図１は、本実施形態の冷陰極を用いたデバイスの斜視図を示すものであり、ここでは、代表例として、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）を説明する。
【００１７】
絶縁性の支持基板１上にカソード電極配線２が形成されている。支持基板１としては、セラミック基板、ガラス基板等を用いることができ、カソード電極配線２としては、従来よりＦＥＤで用いられている金属材料を用いることができる。カソード電極配線２を被覆するように高抵抗層３が配設され、電子源７に対して電流制限を駆けている。このような電流制限機構は、電子源７の信頼性を向上するものであり、本実施形態の冷陰極の場合、電子源７に対して並列に、それぞれ独立に抵抗成分を付加する構造を有し、冷陰極の信頼性を大きく向上させている。
【００１８】
電子源７は、第１のゲート絶縁層５により、その密度、直径を精密に制御されている。このような第１のゲート絶縁層５に形成される細孔は、直径が１０〜３０ｎｍ程度、密度が１０¹⁰／ｃｍ²程度であり、これらを精密制御可能であることから、電子源７の鋳型（モールド）として最適な構造を有している。すなわち、本発明では、第１のゲート絶縁層５に電子源７に最適な形状の細孔を設け、この細孔を電子源７の鋳型として用い、電子源７形状の制御を行うものである。
【００１９】
本発明では、前記電子放出領域となる第１のゲート絶縁層５と、電子放出領域以外に配設される第２のゲート絶縁層８を設け、従来単一のゲート絶縁層として存在していたゲート絶縁層を分割して構成する。このように構成することにより、電子放出領域に限定した鋳型構造の形成を可能にすると共に、電子放出領域以外の領域での電子源形成を防止する。即ち、電子放出領域のパターニングを可能にする。そして、前記鋳型構造を用いて電子源７を形成することにより、電子源密度、直径を精密に制御可能にする。
【００２０】
電子源７としては、前記鋳型構造に充填可能な電子放出材料であれば、如何なる材料でも構わないが、低電圧駆動、イオン衝撃耐性の点で、カーボンナノチューブ等の炭素材料が好ましく、カーボンナノチューブ以外で鋳型中に形成可能な炭素材料としては、ダイアモンド、グラファイト、ダイアモンドライクカーボン等を用いることが可能である。
【００２１】
また、鋳型構造として用いる第１のゲート絶縁層５としては、アルミニウムを陽極酸化して形成されるアルミナが好ましい。このようなアルミニウムの純度は、９９％以上であれば、容易に陽極酸化可能であり、陽極酸化膜中に形成される細孔の直径を１０ｎｍ以下に制御することも可能である。
【００２２】
そして、ゲート電極配線９はカソード電極配線２と第２のゲート絶縁層８で電気的に絶縁されると共に、ゲート電極配線９とカソード電極配線２とは互いに直交させる。
【００２３】
電子放出領域となる画素１０は、カソード電極配線２とゲート電極配線９とが直交する領域に配設され、ドライバーＩＣでＸＹアドレスされる。冷陰極を配設したカソード電極側支持基板に対向するように配設されたアノード電極側支持基板上には、アノード（透明）電極１１、蛍光体１２が設けられる。カソード電極配線２とゲート電極配線９とでアドレスされた画素内の電子源７は、真空中に電界放出し、対向するアノード電極１１上の蛍光体１２に衝突し、発光する。
【００２４】
例えば、電子源７をカーボンナノチューブで形成した場合、電界強度：１０Ｖ／μｍで、電流密度：１０ｍＡ／ｃｍ²のエミッションが得られた。また、発光輝度は５００ｃｄ／ｍ²程度であり、画像形成装置に用いるための発光輝度としては十分であった。
【００２５】
次に、本実施形態で用いた冷陰極の製造方法について、図２及び図３を用いて説明する。まず、図２（ａ）のように、支持基板１上にカソード電極配線２を形成し、更にカソード電極配線２上に高抵抗層３を形成する。
【００２６】
その後、高抵抗層３上の電子放出領域、画像形成装置であれば画素１０領域に第１のゲート絶縁層５を形成し、該層上に多数の細孔６を設けるのであるが、その製造方法を詳しく説明した断面図が、図４（ａ）及び（ｂ）である。ここで、多数の細孔６について説明する。細孔を有する絶縁層としては、微細加工不要である点を考慮すれば、アルミニウム薄膜を陽極酸化して得られるアルミナ陽極酸化皮膜が好ましく、その細孔６の直径を１０ｎｍ以下に制御することが可能である。
【００２７】
そこで、アルミナ陽極酸化皮膜の作製方法として、図４（ａ）は、アルミニウムの陽極酸化皮膜５を静電接着法等で高抵抗層３上に直接貼り合わせる製造方法を示す。この陽極酸化皮膜５は、冷陰極を構成する材料そのものとは、別に設けられたアルミニウム基板を、陽極酸化することにより陽極酸化皮膜５を形成し、この陽極酸化皮膜５をアルミニウム基板から剥離することで得られる。
【００２８】
一方、図４（ｂ）は、アルミニウム薄膜４を高抵抗層３上に直接形成（図２（ｂ）参照）し、このアルミニウム薄膜４を陽極酸化することにより、高抵抗層３上に陽極酸化皮膜５を形成（図２（ｃ）参照）する作製方法を示している。この時、アルミニウム薄膜の形成は、蒸着法等を用いたアルミニウム薄膜の堆積するか、フォトリソグラフィーとエッチングを用いたパターニングを組み合わせて行うか、または、アルミ箔を静電接着法で高抵抗層３上に直接貼り合わせる等の方法が好ましい。
【００２９】
ただ、図４（ｂ）によるような、アルミニウムの陽極酸化による陽極酸化皮膜５には、細孔６が形成されると共に、この細孔６の底部の高抵抗層３との界面に、通常、無水アルミナからなるバリア層が形成される。本実施形態においては、このバリア層をリン酸系の混酸でウエットエッチングすることにより、細孔６の底部のバリア層を除去する。これは、カソード電極と電気的に接続するためであり、バリア層を除去しないと、電子源に電圧印加できず、フローティングしてしまうなどの問題が起こりやすいからである。
【００３０】
但し、目的により、バリア層を積極的に残す構造を選択することも可能である。すなわち、バリア層を残すことにより、抵抗成分を持たせ、抵抗層としての役割を持たせることにより、抵抗層の形成が不要な構造を提供することが可能となるからである。この場合、抵抗層の抵抗値の設計と、この設計にフィットしたバリア層の膜厚制御等が必要となる。
【００３１】
上記バリア層を除去する構造において、バリア層除去を行うためのウエットエッチング時、細孔７の直径が拡大することが問題となる場合がある。これは、バリア層と細孔を構成する陽極酸化膜との材料が、基本的にアルミナで同一のものであることによる。従って、バリア層と陽極酸化膜とのエッチング選択比がなく（ほとんど１）、バリア層の膜厚分だけ、細孔をエッチングしてしまい、細孔径が拡大し、電界集中が弱くなり、エミッション特性が劣化という問題が生じる可能性が高い。
【００３２】
よって、高抵抗層３とアルミニウム薄膜４の間にチタン（Ｔｉ）を挿入することで、細孔６底部のバリア層を導電性にできる。このバリア層へのチタンの拡散と考えらている該導電性パスは、アルミニウムの陽極酸化終了後も、引き続き陽極酸化を続行する事により形成することが可能となる。図５（ｂ）は、チタンを挿入した冷陰極の構造図である。また、参照図として、チタンを挿入していない冷陰極の構造図を図５（ａ）に示す。
【００３３】
図４（ａ）または（ｂ）の何れの製造方法でも、画素１０領域のアルミニウム４、または、陽極酸化皮膜５は、矢印１３のように、高抵抗層３上に貼り合わされ、冷陰極製造コストの大幅削減を可能にする。すなわち、アルミ箔、陽極酸化膜を貼り合わせる製造方法を採用することにより、従来用いていた、蒸着、スパッタ等の真空装置を用いた薄膜形成プロセスが不要になり、パターニングのためのフォトリソプロセス及びエッチングプロセスも不要になり（即ち、マスク枚数が１枚削減される）、製造プロセスが簡略化され、高価な製造装置が不要になる点で、コストメリットが生じる事となる。
【００３４】
次に、陽極酸化皮膜５の細孔６に電子源７を形成する。電子源７としては、低電圧駆動、イオン衝撃耐性の点で、カーボンナノチューブが好ましい。このカーボンナノチューブ電子源７は、ＣＶＤ法で形成する。このような陽極酸化皮膜の細孔中にカーボンナノチューブを形成する技術は、特開平１０−１２１２４号公報で開示しているように、電気化学的に触媒を陽極酸化膜の細孔に析出し、析出した触媒に依存してカーボンナノチューブを成長させることにより可能となる。
【００３５】
本実施形態においては、金属触媒を用いず、細孔７内壁の特異な反応場を用いたＣＶＤ法でカーボンナノチューブを形成する。即ち、細孔の内壁に依存したカーボンナノチューブの形成は、ＣＶＤ法で用いられる反応ガスが細孔に侵入し、細孔内壁に堆積し、チューブを形成する。このように形成したチューブは、触媒を用いて形成したチューブよりも結晶性が悪いものの、チューブ先端が開放されており、電子源としては好ましい形状を有している。このようなＣＶＤ法のプロセス温度は８００℃程度で可能となり、プラズマでアシストしたＣＶＤ法を用いるならば、６００℃程度で可能となる。
【００３６】
何れのＣＶＤ法の場合でも、冷陰極を構成する支持基板１、カソード電極配線２、高抵抗層３、及び第１のゲート絶縁層（陽極酸化皮膜）５の各々の融点温度は、ＣＶＤ法のプロセス温度以上の材料を適宜選択すべきである。
【００３７】
また、電子源７は、図３（ａ）のように、第１のゲート絶縁層５から突出している構造が好ましい。理論計算によれば、電子源７のピッチと同等か、または、それ以上の長さを第１のゲート絶縁層５から突出することにより、電子源７の電界集中を高め、エミッション特性の向上を可能とする。
【００３８】
最後に、第２のゲート絶縁層８を少なくともゲート電極配線９が配設される領域に形成する。この第２のゲート絶縁層８は、カソード電極配線２上の高抵抗層３とゲート電極配線９とを電気的に絶縁するものである。ゲート絶縁層はカソード電極に対してライン状に形成する方法若しくは、デバイス全面に形成した後、開口部を形成する方法で形成することが可能である。
【００３９】
前者のライン状のゲート絶縁層は、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）で用いられるリブ形成プロセスを用いることにより形成可能である。従来から良く知られているＰＤＰのリブ形成では、スクリーン印刷法を用い、フリットガラス系のペースト材料を４〜６回印刷し、乾燥する。このようなペーストの積層印刷により、１００μｍ以上の高さを有するライン状の壁を形成することができる。本実施形態に於いては、このようなライン状の壁をゲート絶縁層として用いる。そして、ゲート電極は、ライン状の壁のトップに更にゲート電極材料を積層印刷して形成する。
【００４０】
一方、後者の開口部を有するゲート絶縁層は、デバイス全面にゲート絶縁層を一旦形成した後、開口部（電子放出領域）のパターニングを行うことにより形成することができる。但し、ゲート電極を形成する場合、ゲート絶縁層、ゲート電極をそれぞれ堆積した後、開口部形成のためのパターニングを行うことが望ましい。このようなパターニングは、例えば、開口部を窓開けしたレジストマスクを形成した後、ゲート電極を除去し、更にゲート絶縁層を除去する。
【００４１】
ここで、上記製造方法によれば、上記冷陰極構造では、第１のゲート絶縁膜は８００℃程度の熱処理を受け、γ−アルミナ（相転移温度は５００〜６００℃程度）に相転移し、フッ酸等にエッチングされにくくなっている。従って、例えば、第２のゲート絶縁層にガラス系の絶縁材料を用いれば、ゲート開口部を窓開けしたフォトレジストを用い、ゲート電極材料をエッチングし、第２のゲート絶縁層をフッ酸でエッチングする時、下地の第１のゲート絶縁層に対するエッチング選択比を大きくとることが可能となる。
【００４２】
前者は大面積デバイスに有利な製造方法であり、一方、後者は高精細デバイスに有利な製造方法である。これらの製造方法の選択は、当業者が適宜選択すべきものであり、どちらの製造方法でも、図２（ｂ）に示すようなゲート電極配線と、ゲート絶縁層とを形成した３極管構造の冷陰極が製造可能となる。
【００４３】
以上説明したように、図２及び図３に示される冷陰極の製造方法に従えば、電界強度：１０Ｖ／μｍで、電流密度：１０ｍＡ／ｃｍ²のエミッション電流が得られる。また、発光輝度：５００ｃｄ／ｍ²程度の発光輝度を有する画像形成装置を得ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の冷陰極は、ＸＹアドレス可能であり、画素分割の自由度を向上できると共に、エミッション電流を向上可能にする。また、高抵抗層に対して電子源を並列に接続することにより、冷陰極の信頼性を向上させることができる。
【００４５】
また、ゲート絶縁層に細孔を設けた鋳型構造の中に形成する電子源をカーボンナノチューブで構成することにより、低電圧駆動可能な、イオン衝撃耐性に優れる電子源を提供にすると共に、ゲート絶縁層をアルミナで構成することにより、高精度に配列制御された細孔を有する鋳型構造を提供可能にする。
【００４６】
一方、本発明の冷陰極の製造方法は、低コスト化を可能にし、簡便な製造方法で制御性に優れる鋳型構造を提供可能にする。また、金属触媒を用いた気相炭素化法、または、プラズマを用いた気相炭素化法で電子源を形成することにより、プロセスダメージを低減した冷陰極の製造方法を提供可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷陰極を用いた薄型画像形成装置の斜視図である。
【図２】本発明の冷陰極の製造方法を示す工程断面図である。
【図３】本発明の冷陰極の製造方法を示す工程断面図である。
【図４】本発明の貼り合わせ技術を用いた冷陰極の斜視図である。
【図５】本発明の冷陰極の構造断面図である。
【図６】従来の冷陰極の構造断面図である。
【符号の説明】
１カソード側支持基板
２カソード電極配線
３高抵抗層
４電子放出領域を形成する金属薄膜
５電子放出領域を形成する金属陽極酸化皮膜（第１のゲート絶縁層）
６金属陽極酸化皮膜の細孔
７電子源
８第２のゲート絶縁層
９ゲート電極配線
１０電子放出領域（画素）
１１アノード電極
１２蛍光体
１３貼り合わせ方向

Claims

電子源と、前記電子源と電気的に接続されたカソード電極と、ゲート電極と、前記電子源と前記ゲート電極とを電気的に絶縁するためのゲート絶縁層とから構成される冷陰極において、
前記ゲート絶縁層が第１のゲート絶縁層と第２のゲート絶縁層とで構成され、
前記第２のゲート絶縁層は、前記カソード電極とゲート電極との絶縁層を形成するとともに、開口部を有しており、
前記第１のゲート絶縁層は、前記開口部に形成され、前記電子源が形成される鋳型構造を有することを特徴とする冷陰極。
前記カソード電極と前記ゲート電極とが互いに直交し、該直交する領域に、前記開口部が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の冷陰極。
前記第１のゲート絶縁層が細孔を有し、前記ゲート絶縁層の細孔が前記電子源の形状を制御するための鋳型であることを特徴とする請求項１記載の冷陰極。
前記第１のゲート絶縁層がアルミニウムの陽極酸化法による細孔とアルミナ薄膜により構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷陰極。
前記電子源と前記カソード電極の層間に高抵抗層が配設され、前記電子源が並列に前記高抵抗層と接続されると共に、前記電子源が互いに電気的に絶縁されることを特徴とする請求項１乃至４記載の冷陰極。
支持基板上にカソード電極を形成する第１の工程と、
前記カソード電極上に高抵抗層を形成する第２の工程と、
前記高抵抗層上に第１のゲート絶縁層を形成し、第１のゲート絶縁層に細孔を設ける第３の工程と、
前記細孔中に、電子源を前記カソード電極と電気的に接続するように形成する第４の工程と、
前記第１のゲート絶縁層を形成した領域以外の前記高抵抗層上に第２のゲート絶縁層を形成する第５の工程と、
第２のゲート絶縁層上にゲート電極を形成する第６の工程とを含むことを特徴とする冷陰極の製造方法。
前記第３の工程が、アルミニウム薄膜を前記高抵抗層に貼り合わせる工程と、該アルミニウム薄膜を陽極酸化する工程とを含むことを特徴とする請求項６記載の冷陰極の製造方法。
前記第３の工程がアルミ板、または、アルミ薄膜を陽極酸化する工程と、前記陽極酸化したアルミ板またはアルミ薄膜から陽極酸化皮膜を剥離する工程と、前記陽極酸化皮膜を前記高抵抗層に貼り合わせる工程とを含むことを特徴とする請求項６記載の冷陰極の製造方法。