JP3693935B2

JP3693935B2 - 電子源の製造方法

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Publication number: JP3693935B2
Application number: JP2001163383A
Authority: JP
Inventors: 紀基常定; 博大木; 雅夫浦山; 彰富田; 隆京谷; 啓太郎松井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2021-05-30
Also published as: JP2002056772A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低開始電圧、低駆動電圧を有する電子源及びその製造方法に関するものであり、特に、超低消費電力、超高輝度な表示装置であるフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）に好適に用いられる電子源及びその製造方法に関するものである。
【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により、電界電子放出する電子源に関する研究がデバイス面、材料面の両面で盛んに行われている。
【０００３】
従来の電子源としては、Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔら（ＵＳＰ３６６５２４１号）が開示しているようなピラミッド状のメタル電子源が知られており、このようなメタル電子源は高融点金属材料、例えば、モリブデン等が用いられている。しかし、このような高融点金属材料を用いたスピント型メタル電子源は、動作真空度が１０^-9Ｔｏｒｒと高く、イオン衝撃耐性が弱いため、信頼性が低いという問題があった。
【０００４】
そこで、近年、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が、炭素アーク放電によるフラーレン合成の副生成物として、飯島ら（Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、Ｎａｔｕｒｅ、３５４、５６（１９９１））により発見された。ＣＮＴは円筒状に巻いたグラファイト層の入れ子状構造を有している。ＣＮＴの電界電子放出実験は、Ｗ．Ａ．ｄｅＨｅｅｒら（Ｗ．Ａ．ｄｅＨｅｅｒ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２７０、１１７９（１９９５））により行われ、１０ｍＡ／ｃｍ²（電圧：２５Ｖ／μｍ）のエミッション電流が観測されている。
【０００５】
Ｄ．Ｎ．Ｄａｖｙｄｏｖら（ＰＣＴ公報番号：ＷＯ９９／２５６５２）は、図１１に示すような電子源構造を報告している。これによると、アルミニウム基板を陽極酸化し、コバルト、鉄、ニッケル等の金属触媒を陽極酸化膜の細孔に電着し、気相炭素化（ＣＶＤ）をすることでＣＮＴを形成して電子源２０を作成している。Ｄ．Ｎ．Ｄａｖｙｄｏｖらは更に、ＣＶＤにより過剰成長させたサンプルと陽極酸化膜を一部エッチング除去してＣＮＴを露出させたサンプルでエミッションを計測しており、エミッション開始電圧はそれぞれ３〜４Ｖ／μｍ、３０〜４０Ｖ／μｍであったと報告している（Ｄ．Ｎ．Ｄａｖｙｄｏｖ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、８６、３９８３（１９９９））。
【０００６】
また、特開２０００−５７９３４号公報では、電界印加型プラズマＣＶＤ法によって基板に直接ＣＮＴまたはアモルファスカーボンを堆積させた冷陰極が開示されている。該公報では、基板に触媒となるニッケル、鉄、コバルト及びそれらの合金の超微粒子を蒸着させた後、電界印加型プラズマＣＶＤ法によってＣＮＴを成長させている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＣＮＴ電子源は、デバイス駆動電圧がスピント型メタル電子源より低減されたものの、駆動ドライバの耐圧や低消費電力の観点からは、より一層高性能の電子源が要求される。例えば、Ｗ．Ａ．ｄｅＨｅｅｒらのＣＮＴ電子源は、アーク放電で形成されたＣＮＴであり、パターニングと配向制御を共に行うことが難しかった為、電子放出を得る為には１０Ｖ／μｍ以上もの電圧が必要であった。
【０００８】
また特開２０００−５７９３４号公報においては、配向したＣＮＴを形成してエミッション開始電圧を１．０〜２．２Ｖ／μｍまで低減させる事ができたが、ＣＮＴを形成する為の工程であるプラズマＣＶＤ法において、ディスプレイを作成する際の基板選択において大きな問題となり得る８００〜９００℃もの高温が必要であると同時に、触媒超微粒子を真空中にて蒸着させる事による工程の複雑化が課題となっていた。
【０００９】
更に、図１１に示すＤ．Ｎ．ＤａｖｙｄｏｖらのＣＮＴ電子源２０においても、触媒配設プロセス（電着）、電界放出特性向上のためのＣＮＴ先端開放プロセス（炉アニール）が必要であり、製造プロセスが複雑化するという課題があった。
【００１０】
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、電子源のエミッション開始電圧、及びデバイス駆動電圧を低減可能な構造を提供すると共に、電子源の製造工程を簡略化することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願発明による電子源は、微小繊維の集合により構成されるアモルファスカーボンからなる電子源であって、アモルファスカーボンからなる上記微小繊維のそれぞれが、一方の端部側において平面上に個々に直立した構造を有しており、他方の端部側では、上記微小繊維が集合して束になって電子放出サイトを形成していることを特徴としている。該構成により、低駆動電圧で、大電流をエミッションする電子源を実現する事が可能となる。また、エミッション開始電圧の低減を図ることができる。
【００１２】
また、上記電子源は、微小繊維の直径が、１０ｎｍ以上、かつ、５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
上記の構成によれば、電子源を構成する微小繊維の直径が、１０ｎｍ以上であることにより、耐久性に問題が生じることはなく、また、５０ｎｍ以下であることにより、電界集中性能の低下を防止することができ、電子放出の減少を防止することができる。
【００１４】
上記電子源は、アモルファスカーボンが、微小繊維が集合して束になっている上部領域と、微小繊維がそれぞれ垂直方向に配向制御されている下部領域とを有することが好ましい。
【００１５】
一般に、例えばカーボンナノチューブのような細長い物体を平面上に直立させた場合、先端への電界集中が強く起こるため、電子放出サイトとして有用である。しかしながら、電子源の密度が高い場合、電子放出サイト間への電界の侵入が起こりにくくなるため、電子放出サイトへの形状効果が極端に薄くなる。即ち、電界集中しにくくなる。
【００１６】
しかしながら、上記の構成によれば、微小繊維が束ねられているので、電子放出サイト間に十分な空間を有することとなるため、電子放出サイトの密度を適度に下げることができ、電界集中しやすい構造とすることができる。
【００１７】
また、上記目的を達成するために、本発明にかかる電子源の製造方法は、少なくとも金属を陽極酸化して直線状の細孔を有する鋳型を形成する工程と、気相炭素化法によって前記鋳型の中に、微小繊維の集合により構成されるアモルファスカーボンからなる電子源材料を充填する工程と、鋳型を除去することによって、アモルファスカーボンからなる微小繊維を露出させつつ、この露出させた微小繊維の先端側を相互に寄り集めて束状にして電子放出サイトを形成する工程とを具備し、上記電子源材料を充填する工程と上記鋳型の少なくとも一部を除去する工程との間に、上記鋳型の表面の一部に、被覆膜を形成する工程をさらに含むことを特徴としている。これらによって低駆動電圧で、大電流をエミッションする電子源を実現する。
さらに、上記の方法によれば、電子源材料を充填した後、鋳型の少なくとも一部を除去する工程の前に、予め例えば金属や樹脂等からなる被覆膜を点状や線状等に付着させることができる。従って、この被覆膜に覆われた部分の鋳型が除去されにくくなり、その部分を中心に微小繊維を束ねることができる。これにより、電界放出には影響しない鋳型の部分を残したまま、アモルファスカーボンの表面を露出させることができる。
また、電子源は、鋳型を含むことにより、平面性を保つことができる。従って、例えば、電子源の基板への接着を容易にすることができる。
【００１８】
さらに、前記気相炭素化法によって鋳型の中に、微小繊維の集合により構成されるアモルファスカーボンからなる電子源材料を充填する工程が、原料ガスの分解温度以上、充填した炭素がグラファイト化してくる温度、即ちグラファイト形成温度以下により行われることを特徴とする。
【００１９】
このような温度設定とすることにより、鋳型の中に電子源材料を充填するという製造過程におけるプロセスダメージを低減し、エネルギー消費を軽減すると共に、基板その他の原料における選択可能性を高める事が可能となる。またこのため、例えば、基板をガラス基板とすることができるが、この場合、デバイスの低コスト化を図ることができる。
【００２０】
また、本発明においては、鋳型の中に電子源材料を充填する工程において触媒金属を用いない工程であることにより、触媒金属配設工程等を無くし、より簡便な電子源の製造方法を実現する事が可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞
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（ａ）は、本実施形態の電子源を用いたデバイスの斜視図であり、円内を拡大して電子源の断面を示したものが図１（ｂ）である。ここで説明する２極管構造デバイスは、例えば、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）に利用可能である。
【００２５】
図１（ａ）に示すデバイスは、支持基板１上に、カソード電極２、接着層３、電子源４、ゲート絶縁層５、ゲート電極６および鋳型８を備えている。
【００２６】
支持基板１は、例えば、図示しないアノード電極基板と対向配置される。真空中でカソード電極２と対向するように配されたアノード電極との間に電圧を印加し、電界を発生させた場合、エミッタ電極としての電子源４は、その先端から電子放出を開始する。
【００２７】
まず、図１（ａ）のように、ガラス、セラミック等で形成される支持基板１上にカソード電極２を形成する。カソード電極２は、従来から用いられているカソード電極材料を用いることができる。カソード電極２上には接着層３が形成され、接着層３上には電子源４が設けられる。従来の冷陰極に用いられている抵抗層をカソード電極２上に挿入しても構わない。
【００２８】
また、本実施形態の場合、接着層３に所望の抵抗値を持たせ、抵抗層としても構わない。この場合、電子源４とカソード電極２とが抵抗層を介して接続されていることになる。これにより、エミッタ電極である電子源４からの放出電流にともなう抵抗層での電圧降下によって電子放出特性が緩和され、大面積のデバイスを形成する場合にも電子放出の均一化、安定化を図ることができる。
【００２９】
電子源４は、個々の電子放出領域（ＦＥＤの場合は、画素）の周囲をゲート絶縁層５で囲い、更にゲート絶縁層５上にはゲート電極６を設ける。ゲート電極６は、カソード電極２と直交するように設けられる。これは、電子放出領域（画素）をＸＹアドレスにするための構造であり、ゲート絶縁層５は、ゲート電極６とカソード電極２とを完全に絶縁すると同時に、ゲート電極６を電界放出の制御が可能な距離に配設する膜厚が必要である。
【００３０】
また、本実施形態の電子源４は、鋳型８の設計によって自由自在に形状変更可能である。このような鋳型８の材料としては、アルミニウムの陽極酸化膜が好ましい。陽極酸化膜には、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の直線状の細孔が両面を貫通するように存在する。細孔の密度は１０¹⁰個／ｃｍ²程度である。
【００３１】
図２、図３には、本実施形態の電子源４を上方向から観測したＳＥＭ像、斜め方向から観測したＳＥＭ像をそれぞれ示す。図２から分かるように、アモルファスカーボンファイバー（図中では、白く見える部分。以下、ａ−ＣＮＦと略す）が直径数μｍ程度の領域から中心部に集合し、ａ−ＣＮＦが束になって、バンドル構造（以下、ａ−ＣＮＦＢと略す）を形成していることが観測できた。
【００３２】
通常、陽極酸化膜を鋳型８として用いて電子源４を形成する場合、鋳型８における細孔の密度は電子源４の密度と等しくなる。ここで、電子源４の密度が高すぎる場合、電子放出サイト間への電界の侵入が起こりにくくなり、相互に電界集中を妨げることがシミュレーションより明らかになっている。
【００３３】
しかしながら、図１に示す電子源４では、直径が約３０ｎｍ程度のａ−ＣＮＦが高密度に束なっている。また、これにより集合的に形成されたａ−ＣＮＦＢの直径は約２μｍとなっている。このように、電子源４は、高密度に形成された微小繊維が束ねられているので、電子放出サイト間に十分な空間があり、電子放出サイトの密度を適度に下げることができ、電界集中しやすい構造とすることができる。
【００３４】
また、図３から分かるように、ａ−ＣＮＦＢの上部領域はａ−ＣＮＦが束なり壁のような形状を形成しているが、下部領域はａ−ＣＮＦが垂直方向に配向制御されていることが観測できた。壁のような形状を有するａ−ＣＮＦＢの上部領域の高さは約５μｍ程度、垂直方向に配向制御されたａ−ＣＮＦＢの下部領域の高さは約１０μｍ程度であった。
【００３５】
なお、ａ−ＣＮＦＢを構成している繊維（ａ−ＣＮＦ）の直径は、鋳型８となる陽極酸化膜の細孔径によって制御することができる。ここで、例えば繊維の直径が１０ｎｍより小さい場合は、細すぎるため電子源４の耐久性に問題が生じ、また繊維の直径が５０ｎｍより大きい場合には、形状による電界集中性能が低下して電子放出が減少する。この事より、ａ−ＣＮＦの直径は１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度が望ましく、本実施形態では３０ｎｍのものを用いた。
【００３６】
上記ａ−ＣＮＦＢを撮影したＴＥＭ画像が図４である。図４は、ａ−ＣＮＦのＴＥＭ像を示す。このＴＥＭ像は、ａ−ＣＮＦＢがほぐれたファイバーの任意の領域を観測したものであり、ａ−ＣＮＦの結晶状態を示すものである。また、比較のために鋳型を用いて無触媒気相炭素化法で作製されたＣＮＴ（カーボンナノチューブ）のＴＥＭ画像を図５に示す。図５ではＣＮＴの壁の部分には短く細い筋が波打ちながらチューブ軸と平行に積層しているのが観察できる。この筋は炭素六角網面１層に対応しており、このＣＮＴは微細な炭素六角網面が円筒状に積層してできたものであると考えられている。しかしながら、図４のａ−ＣＮＦＢにはこのような筋を観察することができず、結晶構造の未発達なアモルファスカーボンによって一様に形成されている事が判る。
【００３７】
また、本実施形態の電子源４のエミッション特性を実験的に確認した。図６は本実施形態の電子源４のＩ−Ｖ特性図を示す。これによると、本実施形態のａ−ＣＮＦＢ電子源４は０．８Ｖ／μｍ程度からエミッションを開始しており、従来のＳｐｉｎｔ型メタル電子源の約１／１００にまでエミッション開始電圧が著しく低減していることがわかる。また、触媒超微粒子を用いる事で低減されてきた従来のＣＮＴ電子源と比較しても、より一層の低減が実現されている。
【００３８】
このように、図１に示す構成とすることにより、低駆動電圧で大電流を放出（エミッション）する電子源４を実現することができる。
【００３９】
更に、上述の実施形態の電子源４を用い、図示しない対向するアノード電極に蛍光体を設け、蛍光体を発光させたところ、１００００ｃｄ／ｍ²以上の発光輝度が得られた。また、５インチ対角、３２０×２４０（ＱＶＧＡ）のパネルを試作し、ビデオ信号を入力したところ、画像表示が可能であった。これにより、電子源４は、超高輝度な表示装置であるフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）に好適に用いることができる。
【００４０】
次に、図７及び図８を用い、本実施形態のａ−ＣＮＦＢの製造方法を説明する。図７及び図８は本実施形態での２極管構造におけるＣＮＴ電子源４の製造方法を示す工程断面図である。尚、本実施形態においては、陽極酸化膜の膜厚や細孔の直径などの制御が容易である為、ポーラスアルミナをＣＮＴ形成の鋳型として用いているが、ポーラスタンタルオキサイド、ポーラスシリコン等を用いても構わない。以下、鋳型８に陽極酸化膜を用いているため、鋳型として陽極酸化膜８と称する。
【００４１】
図７（ａ）は、アルミニウム基板７を陽極酸化し、陽極酸化膜８、直線状の細孔９を形成した工程断面図を示すものである。アルミニウム基板７の陽極酸化は、硫酸溶液中で２０Ｖの電圧を印加し、２時間行った。この時、硫酸溶液の温度が高いと、後の気相炭素化工程において、膜全体の彎曲が起こる。また、温度が低いと、膜の成長が遅くなるので、０℃で行う事が望ましい。
【００４２】
図７（ｂ）は、アルミニウム基板７から陽極酸化膜８のみを剥離し、気相炭素化し、細孔９中にａ−ＣＮＦを形成した工程断面図を示すものである。図７（ａ）で表面に陽極酸化膜８が形成したアルミニウム基板７に、硫酸溶液中で１０分間以上逆電圧を印加すると、陽極酸化膜８の剥離が可能になる。この操作においては長時間逆電圧をかける方が剥離は容易になるが、同時に陽極酸化膜８の溶解も進行して膜厚は次第に薄くなる。これらを考慮すると、逆電圧は３０分間印加することが望ましい。
【００４３】
このように形成された陽極酸化膜８は、直径約３０ｎｍの細孔９を有し、膜厚が約３０μｍであった。このような細孔９を有する陽極酸化膜８を気相炭素化し、細孔９にａ−ＣＮＦを充填する。ａ−ＣＮＦは、６００℃に加熱した石英管に１．２％のプロピレンを流通させて得られる。
【００４４】
本願発明においては、気相成長温度の設定にあたり、原料ガスの分解温度以上、かつ、充填した炭素がグラファイト化してくる温度（グラファイト形成温度）以下で温度設定を行うことが重要である。本実施形態においては、気相炭素化の原料ガスはプロピレンを用いている。プロピレンの場合、本来の熱分解温度は７５０℃付近であるが、本実施の形態では、鋳型としての陽極酸化膜８に、アルミニウム陽極酸化膜を用いている。このため、鋳型表面では、原料ガスであるプロピレンが５００℃以上で分解を開始する。また、６００℃以下ではグラファイト化しないことを実験的に検証した。従って、本実施形態では、５００〜６００℃で気相炭素化することが好ましい。
【００４５】
また、本実施形態においては、ａ−ＣＮＦは、コバルト、ニッケル、鉄等の金属触媒を用いず成長させることが好ましい。即ち、本実施形態では、陽極酸化膜を鋳型として、気相炭素化することにより、ａ−ＣＮＦを形成した。原料ガス種によっては、金属触媒を用いると、原料ガスの分解温度付近にまでグラファイト形成温度が低下し、気相成長温度の領域が著しく小さくなることがあるため、炭素材料に対して触媒効果のある金属材料は使用しないようにすることが好ましい。
【００４６】
上記条件下においては、原料ガスを３時間以上流通させる事によって電子源４であるａ−ＣＮＦが得られるが、エミッション特性向上の為には６時間以上流通させる事が望ましい。なお、この時、同時に、細孔９内だけでなく、陽極酸化膜８の表面にアモルファスカーボン（以下、表面カーボンと称する）１０が堆積する。
【００４７】
図７（ｃ）は、陽極酸化膜８の表面に堆積した表面カーボン１０を除去した工程断面図を示す。表面カーボン１０の除去は、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用い、酸素プラズマエッチングで行った。この時、電子源４となるａ−ＣＮＦと表面カーボン１０との選択比の点でウェットエッチングは好ましくない。また、アルゴン等の不活性ガスや三フッ化メタン等のフッ素系ガスを用いたプラズマエッチングでは、酸素プラズマエッチングに対して効果が小さかった。
【００４８】
図８（ａ）は、図７（ｃ）で得られた陽極酸化膜８をエッチングしてａ−ＣＮＦを表面に露出させた状態における工程断面図であり、前記図２はこの時を上から観察した画像である。気相炭素化によって細孔９毎に個別に充填されて形成したａ−ＣＮＦは、エッチングが進むにつれて相互に寄り集まって束状になり、ａ−ＣＮＦＢとなる。また、プラズマエッチング後の表面状態によって、エッチングされやすい部分から先に陽極酸化膜８のエッチングが進行し、エッチングされにくい部分にａ−ＣＮＦＢが形成する為、ａ−ＣＮＦＢは図２のような円状構造（図２で説明の直径数μｍ程度の領域）になる。
【００４９】
このように、電子源４として高密度に形成された微小繊維を束ねているので、電子放出サイトの密度が適度に下げられ、電界集中しやすい構造になっている。なお、密度を制御するため、表面カーボン１０を剥離した陽極酸化膜８の表面に、エッチングをする前に予め金属や樹脂等（被覆膜）を点状、あるいは線状等に付着させておいてもかまわない。この場合、金属や樹脂等の被覆膜によって覆われた部分の陽極酸化膜８がエッチングされにくくなり、その部分を中心に微小繊維が束ねられることになる。
【００５０】
この時のエッチング条件として、本実施形態では、１％の水酸化ナトリウム水溶液によって室温（２０℃）で１５分間処理した。陽極酸化膜８は高温にさらされた場合、一部相転移してエッチングが困難になる事が判っているが、本実施形態では６００℃で気相炭素化をしている為、相転移は生じておらず、その結果、非常に薄い酸性またはアルカリ性溶液にて容易にエッチングする事ができた。なお、酸性溶液としては、フッ酸、リン酸等が使用可能であり、アルカリ性溶液としても、本実施形態で用いた水酸化ナトリウム水溶液以外の溶液も使用することができる。
【００５１】
このような条件下で陽極酸化膜８のエッチングを行うことにより、陽極酸化膜８の電界放出には影響しない部分を残したままａ−ＣＮＦの表面を露出させる事ができる。また、電子源４は、鋳型（アルミナ（アルミニウム）陽極酸化膜）８を含んで電子源全体として平面性を保っている為、支持基板１への接着が容易に実施できる。なお、これより強い条件で処理する事によって、平面形状を失っても、エミッション性能自体は影響を受けない。
【００５２】
図８（ｂ）には、ａ−ＣＮＦＢ電子源４を、接着層３を介して支持基板１上のカソード電極２に固着した工程断面図を示す。接着層３としては、銀ペースト、カーボンペースト等の導電性ペーストを用いる事が好ましい。また、低融点金属材料を接着層３として用いても構わない。
【００５３】
以上のように、本実施形態の構成では、電子源４を、６００℃以下の低温で製造することができる。これにより、電子源４を安価なガラス基板上に形成することができる。従って、電子源４を備えたデバイスの低コスト化を図ることができる。
【００５４】
また、電子源４を低温で製造することができることにより、熱によるデバイスダメージを大幅に低減することができる。従って、鋳型８の中に電子源材料を充填するという製造過程においてプロセスダメージを低減し、エネルギー消費を軽減すると共に、上記のように基板やその他の原料における選択可能性を高める事ができる。
【００５５】
また、上記電子源４は、製造工程において、触媒を用いることがない。従って触媒金属配設工程等を行う必要がない。これにより、製造工程の複雑化を招来することなく、簡便に製造することができる。
【００５６】
＜第２の実施形態＞
次に、図９及び図１０を用い、第１の実施形態とは異なる製造方法により製造された電子源の第２の実施形態を示す。本実施形態においては、アルミニウム膜をカソード電極上に予め形成し、これを陽極酸化して鋳型を形成するものである。また、本実施形態の電子源は３極管構造を有するが、第１の実施形態で製造した電子源も、本実施形態と同様に、３極管構造としても構わない。
【００５７】
図９（ａ）は、接着層３／カソード電極２／支持基板１構造の接着層３上のアルミニウム膜を陽極酸化した状態の断面図である。接着層３上のアルミニウム膜は、アルミ箔を導電性ペースト、または、低融点金属で貼り合わせて形成する。また、スパッタ法、蒸着法等でアルミニウム堆積を形成しても構わない。この場合、接着層３は形成しなくてもよいが、接着層３を形成して抵抗層として用いても構わない。形成したアルミニウム膜を陽極酸化すると、第１の実施形態と同様に、陽極酸化膜８（陽極酸化膜されたアルミニウム膜）に細孔９が形成する。
【００５８】
図９（ｂ）は、陽極酸化膜８の細孔９に電子源４となるａ−ＣＮＦを形成した工程断面図である。ａ−ＣＮＦの形成と同時に、陽極酸化膜８表面にはアモルファスカーボン（表面カーボン）１０が堆積する。ａ−ＣＮＦの形成には、気相炭素化法を用いた。陽極酸化膜８の細孔９に対する気相炭素化の条件は、図７（ｂ）と同様である。
【００５９】
図９（ｃ）は、陽極酸化膜８の表面カーボン１０を除去した工程断面図を示す。第１の実施形態の図７（ｃ）と同様に、ＲＩＥを用いた酸素プラズマエッチングで、表面カーボン１０を除去する。
【００６０】
図１０（ａ）は、陽極酸化膜８を部分的に除去し、ａ−ＣＮＦを表面に露出させてａ−ＣＮＦＢを形成させた状態における工程断面図である。図１０（ｂ）は、ゲート絶縁層５、ゲート電極６を形成した工程断面図である。このような３極管構造の電子源の製造方法は、第１の実施形態で形成した電子源にも適用可能である。ゲート絶縁層５は、スクリーン印刷法で、フリットガラス系ペーストを多層印刷して形成する。膜厚は、１００μｍ程度で、この膜厚はデバイス設計により決定すべきである。
【００６１】
次に、ゲート電極６をゲート絶縁層５上に形成する。この時、原料ガスの分解温度を低下させるアルミニウムの陽極酸化膜８には炭素が選択的に堆積するが、ゲート絶縁層５の下地になる部分には炭素が堆積しない温度を選択しているため、下地の炭素を剥離するなどの工程は不要になっている。また、ゲート電極６は、ゲート絶縁層５の形成と同様に、スクリーン印刷法で一般的に用いられている金属配線材料を印刷して形成される。
【００６２】
このように、上記電子源４の製造方法は、少なくとも金属を陽極酸化して細孔を有する鋳型を形成する工程と、気相炭素化法によって、鋳型の中に、アモルファスカーボンからなる電子源材料を充填する工程と、鋳型を除去する工程とを具備する。
【００６３】
これにより、微小繊維が集合して束になっている上部領域と、微小繊維がそれぞれ垂直方向に配向制御されている下部領域とを有するバンドル構造を備えたアモルファスカーボンからなる電子源４を製造することができる。
【００６４】
従って、電子源４において、電子放出サイトの密度を適度に下げることができ、電界集中しやすい構造とすることができる。
去する工程とを具備することを特徴とし、これらによって低駆動電圧で、大電流をエミッションする電子源を実現する。
【００６５】
以上のようにして、本願の電子源を製造すると、低電圧駆動可能であり大電流をエミッションすることができる電子源が提供できると共に、高輝度なフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）が実現可能となる。
【００６６】
【発明の効果】
本願発明による電子源は、微小繊維の集合によって構成されたアモルファスカーボンを用いる事により、従来の高融点金属を用いた電子源のエミッション開始電圧を約１／１００程度に低減でき、また、従来のカーボンナノチューブを用いた電子源のエミッション開始電圧と比較しても更に低減することが可能となった。これにより、超低消費電力で、超高輝度なフィールドエミッションディスプレイを実現することを可能とした。
【００６７】
また、本発明の電子源は、微小繊維の直径が、１０ｎｍ以上、かつ、５０ｎｍ以下である構成である。
【００６８】
これにより、耐久性に問題が生じることはなく、また、電界集中性能の低下を防止することができ、電子放出の減少を防止することができるといった効果を奏する。
【００６９】
さらに本発明の電子源は、アモルファスカーボンが、微小繊維が集合して束になっている上部領域と、微小繊維がそれぞれ垂直方向に配向制御されている下部領域とを有する構成である。
【００７０】
これにより、微小繊維が束ねられているので、電子放出サイトの密度を適度に下げることができ、電界集中しやすい構造とすることができるといった効果を奏する。
【００７１】
また、本発明による電子源の製造方法では、半導体装置を製造するような微細加工工程が不要であり、更に、気相炭素化工程を無触媒下において、原料ガスの分解温度以上、充填した炭素がグラファイト化してくる温度（グラファイト形成温度）以下で実施する事により、熱によるデバイスダメージを大幅に低減することが可能となる電子源の製造方法を実現すると共に、電子源以外の材料の選択性が高いフィールドエミッションディスプレイを製造することを可能とした。
【００７２】
さらに、本発明の電子源の製造方法は、電子源材料を充填する工程と鋳型の少なくとも一部を除去する工程との間に、鋳型の表面の一部に、被覆膜を形成する工程を含む構成である。
【００７３】
これにより、電子源材料を充填した後、鋳型の少なくとも一部を除去する工程の前に、予め例えば金属や樹脂等からなる被覆膜を点状や線状等に付着させることができる。従って、この被覆膜に覆われた部分の鋳型が除去されにくくなり、その部分を中心に微小繊維を束ねることができる。これにより、電界放出には影響しない鋳型の部分を残したまま、アモルファスカーボンの表面を露出させることができる。
【００７４】
また、電子源は、鋳型を含むことにより、平面性を保つことができる。従って、例えば、電子源の基板への接着を容易にすることができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子源を用いた３極管デバイスの斜視図である。
【図２】本発明の電子源の上方向からのＳＥＭ写真である。
【図３】本発明の電子源の横方向からのＳＥＭ写真である。
【図４】本発明の電子源を構成しているａ−ＣＮＴのＴＥＭ写真である。
【図５】従来の無触媒鋳型気相炭素化法により作成されたＣＮＴのＴＥＭ写真である。
【図６】本発明の電子源のＩ−Ｖ特性である。
【図７】第１の実施における２極管構造の電子源の製造工程断面図である。
【図８】第１の実施形態における２極管構造の電子源の製造工程断面図である。
【図９】第２の実施形態における３極管構造の電子源の製造工程断面図である。
【図１０】第２の実施における３極管構造の電子源の製造工程断面図である。
【図１１】従来のカーボンナノチューブを用いた電子源アレイの斜視図である。
【符号の説明】
１支持基板
２カソード電極（配線）
３接着層（抵抗層）
４電子源（ａ−ＣＮＦＢ）
５ゲート絶縁層
６ゲート電極（配線）
７アルミニウム基板
８鋳型（アルミニウム陽極酸化膜）
９細孔
１０アモルファスカーボン（表面カーボン）

Claims

少なくとも、金属を陽極酸化して細孔を有する鋳型を形成する工程と、
気相炭素化法によって、上記鋳型の中に、アモルファスカーボンからなる電子源材料を充填する工程と、
上記鋳型の少なくとも一部を除去することによって、アモルファスカーボンからなる微小繊維を露出させつつ、この露出させた微小繊維の先端側を相互に寄り集めて束状にして電子放出サイトを形成する工程とを具備し、
上記電子源材料を充填する工程と上記鋳型の少なくとも一部を除去する工程との間に、
上記鋳型の表面の一部に、被覆膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする電子源の製造方法。
上記気相炭素化法によって、鋳型の中に、アモルファスカーボンからなる電子源材料を充填する工程が、原料ガスの分解温度以上、充填した炭素がグラファイト化するグラファイト形成温度以下で行われることを特徴とする請求項１に記載の電子源の製造方法。
上記鋳型は、アルミニウムの陽極酸化膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の電子源の製造方法。