JP3581289B2 - 電界放出電子源アレイ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷陰極ランプ、蛍光表示管、液晶デバイス用のバックライト、フィールドエミッションディスプレイ等に用いられる電界放出電子源アレイ及びその製造方法に関し、詳細には、均一性、信頼性に優れ、薄型画像形成装置のようにＸＹアドレスが必要な電界放出電子源アレイ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、強電界を印加することにより、電界放出電子を放出する電界放出電子源の研究、開発が盛んに行われ、フラットパネルディスプレイ、すなわちフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）への応用が期待されている。
最近になって、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、ＣＮＴを用いたＦＥＤの研究、開発が行われるようになってきた。このようなＣＮＴを用いたＦＥＤの構成は、例えば、特開平１１−１６２３８３号公報で開示されたものがある。
図５は、特開平１１−１６２３８３号公報で開示されている平面ディスプレイの断面図を示すものであり、この図を用いて、従来のＣＮＴを用いた平面ディスプレイの構成を説明する。電子放出部１０５はリブ１０４で分割されると共に、スルーホールを介して、カソード電極配線と電気的に接続される。前記リブ１０４上には、ゲート電極配線が配設され、このゲート電極配線と前記カソード電極配線とを用いることにより、ＸＹアドレスを可能にし、平面ディスプレイの提供を可能にしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載された平面ディスプレイにあっては、電子放出部（画素部）は、スクリーン印刷法で形成した柱状グラファイト（ＣＮＴ）のペーストパターンであり、画素部、更にはディスプレイ面内の発光輝度の均一性が劣化するという課題があった。
また、この平面ディスプレイは、従来より用いられている抵抗層等の電流制限機構が設けられていないため、ＣＮＴが過電流によりダメージを受け、平面ディスプレイの信頼性劣化が課題であった。さらに、この平面ディスプレイに、従来から知られているような抵抗層を単に配設しただけでは、ペースト内の各々のＣＮＴの電気的な接触があり、抵抗を十分に付加することができず、電流制限機構の効果があまり得られなかった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、エミッション電流が均一で、電流制限機構を有し、薄型画像形成装置のチラツキの低減、信頼性の向上を可能にする電界放出電子源アレイ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の電界放出電子源アレイは、電界放出電子源とカソード電極配線とが抵抗層を介して電気的に接続され、前記電界放出電子源と前記抵抗層が同一の微小空間に充填され、前記微小空間のそれぞれが絶縁材料で絶縁分離され、電子放出領域が前記電界放出電子源と前記抵抗層とを充填する微小空間を集積して形成される構造を特徴とする。
すなわち、本発明の電界放出電子源アレイは、数十ｎｍ〜数百ｎｍ程度の微小空間に分割して配設された電界放出電子源の集合体であり、一つの電界放出電子源は一つの抵抗層と微小空間内で電気的に接続する構成を有する。
また、前記電界放出電子源が、電子放出材料と、前記電子放出材料を前記微小空間内の前記抵抗層上に固定化する固着材料とから構成されるものであることで、前記固着材料は電子放出材料を分散し、電気的、機械的に抵抗層に付着する役割を有する。
また、前記微小空間を有する絶縁材料が、多孔質アルミナであることを特徴とする。微小空間がカソード電極配線側から電子放出面側に貫通しており、その貫通した微小空間が直線的であることから、微小空間を有する絶縁材料を多孔質アルミナで構成する。
【０００５】
本発明の電界放出電子源アレイの製造方法は、支持基板にカソード電極配線を形成する工程と、前記支持基板上に微小空間を有する絶縁材料を形成する工程と、前記カソード電極配線とゲート電極配線とを絶縁するゲート絶縁層を形成する工程と、前記微小空間に抵抗材料を充填して抵抗層を形成する工程と、前記抵抗層上に電界放出電子源を形成する工程と、ゲート電極配線を形成する工程と、を含むことを特徴とする。すなわち、本発明の電界放出電子源アレイの製造方法は、カソード電極配線上に形成された絶縁材料の微小空間に抵抗材料、電子放出材料と固着材料とから構成される分散物を順次充填して形成する工程を含むことを特徴とする。
【０００６】
また、前記支持基板上に微小空間を有する絶縁材料を形成する工程が、絶縁材料の薄膜の貼り合わせ工程であることを特徴とする。また、カソード電極配線上の微小空間を有する絶縁材料の形成は、微小空間を有する絶縁材料を直接貼り合わせる工程か、パターニングした金属薄膜の堆積膜を陽極酸化する工程か、貼り合わせたアルミ箔を陽極酸化する工程かを含むことを特徴とする。
また、前記微小空間に抵抗材料を充填して抵抗層を形成する工程が、電気化学的堆積であることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態の電界放出電子源アレイの斜視図である。本実施の形態の電界放出電子源アレイは、フィールドエミッションディスプレイ（以下、ＦＥＤという）に適用した例である。このようなＦＥＤの基本構成は、冷陰極ランプ、液晶デバイスのバックライト、及び蛍光表示管と同様である。すなわち、冷陰極ランプは電子放出領域（画素）をアドレスする必要がなく、ゲート電極及びカソード電極が単純な平板でよい。また、液晶デバイスのバックライト及びＦＥＤはゲート電極及びカソード電極をラインに分割してアドレスする必要があると共に、ＦＥＤはゲート電極とカソード電極を直交するように配設する。更に、蛍光表示管はセグメントに対応したゲート電極及びカソード電極を配設する。本発明の電界放出電子源アレイは、これらすべての電子デバイスに利用可能である。
【０００８】
図１において、本実施の形態の電界放出電子源アレイは、セラミック材料からなりバックプレートの背面側より、フェイスプレートを指示する支持基板１と、スキャン側ドライバより順次走査電圧を印加するためのカソード電極配線２と、カソード電極配線２とゲート電極配線７を電気的に絶縁するゲート絶縁層６と、微小空間（細孔）１０を形成するための陽極酸化皮膜（絶縁材料）３と、電界放出するための電界放出電子源５と、データ側ドライバより水平ライン分の画像データを印加するためのゲート電極配線７とを順次積層した積層構造を有し、電界放出電子源５とカソード電極配線２とが抵抗層４を介して電気的に接続され、電界放出電子源５と抵抗層４が同一の微小空間１０に充填され、微小空間１０のそれぞれが絶縁材料３で絶縁分離され、電子放出領域が電界放出電子源５と抵抗層４とを充填する微小空間１０を集積して形成される構造を有する。
【０００９】
図１に示すように、支持基板１上にカソード電極配線２が形成される。本実施の形態では、支持基板１上にカソード電極配線２を直接形成しているが、支持基板１を凹状に加工し、電極配線材料を埋め込んでも構わない。また、カソード電極配線２はライン状に分割され、そのライン幅（又は、ラインピッチ）は目的とするデバイスの設計により適宜決定される。また、従来では抵抗層をカソード電極配線上に形成する必要があったが、本実施の形態では抵抗層をカソード電極配線上に形成する必要がないため、図１の垂直方向（＋Ｚ軸方向）の精細度が向上可能な構成となっている。
【００１０】
カソード電極配線２の材料としては、金、白金、銀、銅、ニッケル、コバルト、アルミニウム等の従来から良く知られるカソード電極材料が利用可能である。カソード電極配線２上には、絶縁材料３が配設され、実質的な電子放出領域（画像形成装置の場合、画素）８を形成する。また、絶縁材料３は微小空間１０を有する。微小空間１０の直径は、数十ｎｍ〜数百ｎｍ程度、その高さ（絶縁材料３の膜厚）は数μｍ〜数十μｍ程度、密度は１０^８〜１０^１０／ｃｍ^２程度である。絶縁材料３の材質は、微小空間１０形成を考慮に入れる必要があり、微細加工の手間を省くならば、陽極酸化に伴う微小空間（細孔）１０が自発的に形成されるような金属材料が好ましい。陽極酸化可能な材料としては、アルミニウム、タンタル等が挙げられ、限定するものではないが、直線的な微小空間１０を有するアルミニウムが、本実施の形態において、最も好ましい。
【００１１】
電子放出領域８内には、多数の微小空間１０が集積され、微小空間１０内には、電界放出電子源５と抵抗層４が充填されている。電界放出電子源５は、抵抗層４を介してカソード電極配線２と電気的に接続され、電界放出材料と固着材料とから構成される。但し、電界放出材料が抵抗層４に対して十分固定化可能である場合、固着材料は用いなくても構わない。電界放出材料としては、カーボンナノチューブ、ダイアモンド、フラーレン、グラファイト等の炭素材料、ボロンナイトライド、シリコン等の半導体材料、金、白金等の貴金属材料が挙げられる。
また、固着材料としては、従来から良く知られるペースト材料が使用可能であり、ガラス系に代表される無機ペースト材料、アクリル酸系、セルロース系に代表される有機ペースト材料が挙げられる。導入される抵抗層４の抵抗値は、当業者がデバイス設計に応じて適宜決定されるものであり、設計された抵抗値は、互いに電気的に絶縁された微小空間１０の断面積と高さで精密にデバイスに表現される。
【００１２】
電子放出領域８と、それと隣り合う電子放出領域８との間隙にはゲート絶縁層６が配設される。ゲート絶縁層６は、カソード電極配線２とゲート電極配線７とを電気的に絶縁するためのものであり、このようなゲート絶縁層６を設けることにより、電子放出領域間の短絡防止の信頼性を向上するばかりでなく、カソード電極配線２とゲート電極配線７とを互いに直角に配設することを容易にする。ゲート絶縁材料としては、その埋め込みの容易性から、焼結可能な溶液状の絶縁材料が好ましい。
【００１３】
ゲート絶縁層６上には、ゲート電極配線７が配設される。このゲート電極配線７は、電子ビームを変調するためのものであり、例えば画像形成装置の場合、このゲート電極配線７とカソード電極配線２とでＸＹアドレスする。図１では、電子放出領域８に対してゲート開口部が一つであるが、これに限定するものではなく、電子放出領域に対して複数のゲート開口部を設けても構わない。ゲート電極配線材料としては、従来から良く知られる電界放出電子源のゲート電極配線材料が用いられる。
【００１４】
このような構成を有する電界放出電子源アレイ（５インチ対角、３２０×２４０）を試作し、その電界放出特性を実験的に検証した。その結果、電界放出開始電圧は１Ｖ／μｍ以下であり、電流密度は１０ｍＡ／ｃｍ^２以上を観測した。さらに、このような電界放出電子源アレイに対向するように蛍光体を配設し、電界放出実験を続けたところ、蛍光体が一様に発光し、均一な電界放出が得られていることを実験的に確認した。
【００１５】
図２は、本実施の形態の電界放出電子源アレイを用いた画像形成装置の概略を示す回路図である。
図２において、１１はデータ側ドライバ、１２はスキャン側ドライバ、１３はこれらドライバ１１，１２を制御するコントローラーである。コントローラー１３には、画像を形成するためのビデオ信号が入力される。
コントローラー１３は、スキャン側ドライバ１２に対してスキャンが行われるように制御し、その結果、スキャン側ドライバ１２はカソード電極配線２に順次走査電圧を印加する。一方、コントローラー１３で制御されたデータ側ドライバ１１は、ゲート電極配線７に水平ライン分の画像データに対応した電圧を印加する。このようにして、カソード電極配線２とゲート電極配線７とでアドレスされた画素８は、対向するアノード電極に向けて電界放出する。
本実施の形態においては、アドレスされた画素内のそれぞれの電界放出電子源は、カソード電極配線２に対して並列に接続されており、同様の抵抗が付加される。このようにして、本実施の形態の電界放出電子源アレイは画像形成装置として動作する。
【００１６】
次に、本実施の形態の電界放出電子源アレイの製造方法を図３及び図４の工程断面図に基づいて説明する。
図３及び図４は、本実施の形態の電界放出電子源アレイの工程断面図である。
まず、図３（ａ）において、支持基板１上にカソード電極配線２を形成する。カソード電極配線２の形成は、従来からある技術で十分対応可能である。しかし、カソード電極配線２のピッチが狭い場合、又は配線長が長い場合、それぞれに適応したプロセスを適宜選択すべきである。すなわち、カソード電極配線２のピッチが１００μｍ以下の場合、通常の半導体加工技術で用いられるスパッタ法（又は、真空蒸着法）、フォトリソグラフィー、エッチング等で形成することが好ましい。また、カソード電極配線の配線長が３０ｃｍ以上の場合、スクリーン印刷法、直接描画法等で形成することが好ましい。
【００１７】
次に、図３（ｂ）において、カソード電極配線２上に陽極酸化可能な金属薄膜９、及びカソード電極配線２以外の領域にゲート絶縁層６を形成する。カソード電極配線２上の陽極酸化可能な金属としては、アルミニウム、タンタル、シリコン等が挙げられるが、直線的な微小空間（細孔）が得られる点で、アルミニウムが最も好ましい。アルミニウム薄膜の膜厚は１μｍ〜３μｍ程度が好ましく、１μｍ以下の場合、微小空間（細孔）が形成し難くなり、一方、３μｍ以上の場合、薄膜が剥離し易くなる。また、アルミニウム薄膜表面は平坦であることが要求され、鏡面が得られるような堆積条件の最適化を行う必要がある。このような堆積条件は、用いる堆積装置により異なるが、堆積速度を速くし、アルミニウムの結晶成長を抑制する堆積条件が好ましい。
また、ゲート絶縁層６は、アルミニウムの陽極酸化を行う前に堆積し、アルミニウム薄膜の側面からの陽極酸化を防止する。ゲート絶縁層６としては、半導体プロセスで良く用いられるＳＯＧ（ｓｐｉｎ ｏｎ ｇｌａｓｓ）のように溶液状の絶縁材料が好ましい。このような溶液状の絶縁材料は、スピンコーター等で塗布し、ＣＭＰ、又は、単なる機械的研磨法等で表面を研磨し、アルミニウム薄膜表面を露出する。このようにして、図３（ｂ）に示すような工程断面図を得る。
【００１８】
次に、図３（ｃ）に示すように、アルミニウム薄膜９を陽極酸化し、陽極酸化皮膜３を得る。陽極酸化皮膜３には、微小空間（細孔）１０が形成される。陽極酸化条件に関しては、陽極酸化皮膜３の膜厚、微小空間（細孔）１０の直径により、当業者により適宜決定され得るものである。微小空間（細孔）１０の直径は数十ｎｍ〜数百ｎｍ程度が好ましく、数十ｎｍ以下の場合、抵抗材料、電子放出材料の微小空間（細孔）１０への充填方法、充填材料が限定され、数百ｎｍ以上の場合、陽極酸化条件が難しくなる。本実施の形態では、アルミニウム薄膜を蒸着法で１μｍ堆積し、陽極酸化（硫酸中、印加電圧：４０Ｖ、温度：１０℃）することにより、リン酸／塩酸の混酸でウェットエッチングすることにより、直径：６０ｎｍの微小空間（細孔）１０を有する陽極酸化皮膜３を得た（図３（ｃ）参照）。
【００１９】
次に、図４（ｄ）に示すように、カソード電極配線２上に抵抗層４を充填する。抵抗層４の充填方法は、電気化学的堆積方法が好ましい。抵抗材料としては、当業者が適宜設計した抵抗値に対応して抵抗材料を選択すべきであり、電気化学的堆積方法で充填可能な材料が好ましい。また、図３（ｃ）で形成した陽極酸化皮膜３の直径、充填量も考慮に入れて材料選択すべきである。
次に、図４（ｅ）に示すように、微小空間（細孔）１０内の抵抗層４上に電界放出電子源５を充填する。電界放出電子源５は、電子放出材料の微粒子、又は、電子放出材料と固着材料との微粒子の分散系で構成する。このような電界放出電子源５は、電気化学的堆積方法、又は、スクリーン印刷法で充填する。電子放出材料としては、上述のように炭素材料、半導体材料、貴金属材料の微粒子が好ましく、固着材料としては、ガラス系に代表される無機ペースト材料、アクリル酸系、セルロース系に代表される有機ペースト材料が好ましい。この時、細長い棒状の電子放出材料、例えばカーボンナノチューブを用い、カーボンナノチューブの長手方向の長さを微小空間（細孔）１０の直径よりも２倍以上長くすると、カーボンナノチューブは、対向するアノード電極に対して垂直方向に配向制御される。
【００２０】
また、電子放出材料と固着材料の分散系を微小空間（細孔）１０内に充填する場合、充填後の後処理が重要となる。この後処理は、電子放出材料の微粒子表面を固着材料から露出するために行われ、固着材料と電子放出材料との選択比を考慮に入れ、エッチャント、又は、エッチングガスが選択される。このようなエッチングはウェットエッチング、ドライエッチングのどちらでも構わない。
最後に、図４（ｆ）に示すように、ゲート絶縁層６上にゲート電極配線７を形成する。ゲート電極配線７の形成は、スクリーン印刷法、直接描画法で形成可能である。ゲート電極配線７材料としては、モリブデン、ニオブ等の従来から用いられている材料を用いることができる。
また、電子放出領域８が数百μｍ程度になると、スクリーン印刷法、直接描画法での製造に限界が生じる。このような場合、レジストで電子放出領域８をマスクした後、ゲート電極配線材料を堆積し、レジストをリフトオフする方法が好ましい。通常の半導体プロセスで用いられるような堆積したゲート電極配線材料の電子放出領域８をエッチング除去するような方法を用いると、電子放出領域にプロセスダメージを与えるおそれがあり、好ましい製造方法とは言えない。但し、プロセスダメージが問題ない程度であれば、エッチング除去しても構わない。
【００２１】
以上に説明したように、本実施の形態の電界放出電子源アレイは、各々の電界放出電子源５を微小空間１０に分割配設し、抵抗層４と並列接続する基本構成とし、また電界放出電子源アレイは、電子放出材料と固着材料とから構成され、微小空間１０を有する絶縁材料３は多孔質アルミナで構成する。また、電界放出電子源アレイの製造方法は、図３及び図４で詳述したようにカソード電極配線２上に形成された絶縁材料３の微小空間１０に抵抗材料、電子放出材料と固着材料とから構成される分散物を電気化学的堆積法で順次充填して形成すると共に、カソード電極配線２上の微小空間１０を有する絶縁材料３は、微小空間１０を有する絶縁材料３を直接貼り合わせるか、パターニングした金属薄膜の堆積膜を陽極酸化するか、貼り合わせたアルミ箔を陽極酸化するかで形成するようにしたので、電界放出電子源アレイを容易に製造することが可能になり、従来の電界放出電子源アレイと比較して、エミッション電流の均一性に優れ、信頼性も高い電界放出電子源アレイが実現可能となる。
【００２２】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明の電界放出電子源アレイによれば、各々の電界放出電子源を数十ｎｍ〜数百ｎｍ程度の微小空間に分割配設し、一つの電界放出電子源に対して一つの抵抗層を微小空間内で電気的に並列に接続するように構成したので、電子放出領域内のみならず、設計されたデバイス面内の均一性、信頼性を向上させることができる。
また、本発明の電界放出電子源アレイは、電界放出電子源を電子放出材料と固着材料とから構成したので、接続する抵抗層に対して電気的、機械的付着を向上させることができ、また、電界放出電子源を充填する微小空間を多孔質アルミナで構成したので、微細な直径を有する微小空間を設けることが可能になる。
【００２３】
また、本発明の電界放出電子源アレイの製造方法は、カソード電極配線上に形成された絶縁材料の微小空間に抵抗材料、電子放出材料と固着材料とから構成される分散物を順次充填して形成する工程を含むことにより、電界放出電子源アレイの微小空間への分割配設、抵抗層への並列接続の構成を構築することができる。
また、カソード電極配線上の微小空間を有する絶縁材料の形成を、微小空間を有する絶縁材料を直接貼り合わせる工程か、パターニングした金属薄膜の堆積膜を陽極酸化する工程か、貼り合わせたアルミ箔を陽極酸化する工程かで行うことにより、通常の半導体プロセスで用いられるような微細加工技術を不要にするとともに、絶縁材料の微小空間内に抵抗材料を充填して抵抗層を形成する工程を電気化学的堆積法を用いることにより、製造コストの低減をすることができる。
したがって、微細加工技術を用いることなく、高集積化した微小な電界放出電子源アレイを製造することができ、ＸＹアドレス可能で、大型化パネルに適用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の電界放出電子源アレイの斜視図である。
【図２】本実施の形態の電界放出電子源アレイを用いた画像形成装置の概略を示す回路図である。
【図３】本実施の形態の電界放出電子源アレイの工程断面図（その１）である。
【図４】本実施の形態の電界放出電子源アレイの工程断面図（その２）である。
【図５】従来の平面ディスプレイの断面図である。
【符号の説明】
１ 支持基板
２ カソード電極配線
３ 陽極酸化皮膜
４ 抵抗層
５ 電界放出電子源
６ ゲート絶縁層
７ ゲート電極配線
８ 電子放出領域（画素）
９ 金属薄膜（金属箔）
１０ 微小空間（細孔）
１１ データ側ドライバ
１２ スキャン側ドライバ
１３ コントローラー

Claims (7)

1. 電界放出電子源とカソード電極配線とが抵抗層を介して電気的に接続され、前記電界放出電子源と前記抵抗層が同一の微小空間に充填され、前記微小空間のそれぞれが絶縁材料で絶縁分離され、電子放出領域が前記電界放出電子源と前記抵抗層とを充填する微小空間を集積して形成されるとともに、前記電界放出電子源は、電子放出材料と、前記電子放出材料を前記微小空間内の前記抵抗層上に固定化する固着材料とから構成されていることを特徴とする電界放出電子源アレイ。
2. 前記微小空間を有する絶縁材料が多孔質アルミナであることを特徴とする請求項１に記載の電界放出電子源アレイ。
3. 支持基板にカソード電極配線を形成する工程と、前記支持基板上に微小空間を有する絶縁材料を形成する工程と、前記カソード電極配線とゲート電極配線とを絶縁するゲート絶縁層を形成する工程と、前記微小空間に抵抗材料を充填して抵抗層を形成する工程と、前記微小空間に電子放出材料及び固着材料から構成された分散物を充填して前記抵抗層上に電界放出電子源を形成する工程と、ゲート電極配線を形成する工程と、を含むことを特徴とする電界放出電子源アレイの製造方法。
4. 前記支持基板上に微小空間を有する絶縁材料を形成する工程が絶縁材料の薄膜の貼り合わせ工程であることを特徴とする請求項３に記載の電界放出電子源アレイの製造方法。
5. 前記微小空間に抵抗材料を充填して抵抗層を形成する工程が、電気化学的堆積であることを特徴とする請求項３に記載の電界放出電子源アレイの製造方法。
6. 前記支持基板上に微小空間を有する絶縁材料を形成する工程が、アルミニウム薄膜のパターニング工程と、前記アルミニウムの陽極酸化工程とを含むことを特徴とする請求項３又は４のいずれかに記載の電界放出電子源アレイの製造方法。
7. アルミニウム薄膜のパターニング工程が、アルミ箔の貼り合わせ工程であることを特徴とする請求項６に記載の電界放出電子源アレイの製造方法。

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