JPH0428138A

JPH0428138A - 電子放出素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0428138A
Application number: JP2133397A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Tomii; 冨井　薫; Akira Kaneko; 彰金子; Toru Sugano; 亨菅野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-05-23
Filing date: 1990-05-23
Publication date: 1992-01-30
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: JPH0787074B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、平板型画像表示装置等に用いられる電子放出
素子およびその製造方法に関するものである。

従来の技術最近、平板型画像表示装置等に用いられる電子源として
、加熱を必要としない電子放出素子、いわゆる冷陰極の
開発が活発に行われている。その中で、電界放出型の電
子放出素子は、電子を放出させるために先端の曲率半径
が１μｍ以下となるように針状加工され、その陰極先端
に１０’Ｖ／ｅ１ｍ程変の強電界が集中するように構成
される。この電界放出型の電子放出素子は、−ａに次の
ような長所を有している。

（１）電流密度が高い。

（２）陰極を加熱する必要かないので、電力消費が非常
に少ない。

（３）点（ポイント）および線（ライン）ｉｉ電子源し
て使用することができる。

また、上記電子放出素子をアレイ状に配列した構成も知
られており、同アレイを平面デイスプレィパネルに用い
る試みも行われている。

従来、この電界放出型の電子放出素子およびその製造方
法として、種々の提藁がなされている。

その−例として、ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス、３５０４〜３５０５頁、７号、第３９巻、１
９６８年（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｊｅｄ　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ、　Ｐ３５０４〜３５０５、階７、Ｖｏｌ
、３９．１９６８　）に記載されている構成および製造
方法について第４図（ａ）、　（ｂ）を参照しながら説
明する。

第４図（ａ）は上記従来の電子放出素子の製造途中の状
態を示す断面図、第４図［有］）は上記従来の電子放出
素子の製造完成状態を示す断面図である。

第４図（ａ）に示すように、まず、電気絶縁基板１０１
の上に導電性Ｗ！　１０２、絶縁層１０３および導電性
膜１０４を適当なマスクを用い、順次蒸着等により形成
し、複数のアレイ状に配列した空洞１０５を作製する。

次いで、この空洞１０５の開口部を適当な物質１０６の
回転斜蒸着により閉しさせつつ、この開口部真上より陰
極材料１０７を正蒸着することにより、空洞１０５内に
おいて導電性膜１０２上に先端側が次第に細くなる陰極
エミッタ突起１０８を形成する。最後に、第４図（ｂ）
に示すように、物質１０６を除去することにより、アレ
イ状の電子放出素子（冷陰極）を作製することができる
。

そして、導電性膜１０４が正、導電性膜１０２が負とな
るように電源１０９を接続し、陰極エミッタ突起１０８
の陰極材料１０７で定まる所定の電圧以上の電圧を印加
することにより、電界が集中する陰極エミッタ突起１０
８より電子を放出させることができる。

発明が解決しようとする課題しかし、以上のような従来例の構成では、複数のアレイ
状の空洞１０５内に陰極エミッタ突起１０８を作成する
際、回転斜蒸着と真上からの正蒸着を同時に行うことが
必要であり、この同時蒸着の制御を正確に行うことは非
常に困難である。また、厚さ約１μｍの絶縁層１０３を
挟んで両導電性膜１０２、１０４間に電圧を印加した時
、絶縁層１０３がピンホール等を有し、耐電圧がなかっ
たり、絶縁層１０３の端面での表面リークで耐電圧が低
下するなどの課題を有していた。

本発明は、上記従来技術の問題を解決するものであり、
高い電子放出効率を有する電子放出素子を提供し、また
、陰極材料層と制御電極間の絶縁耐電圧を向上させるこ
とができ、したがって、電子放出の信転性を向上させる
ことができるようにした電子放出素子を提供し、また、
電子ビームの広がりを抑えて質の高い電子ビームを得る
ことができるようにした電子放出素子を提供し、また、
容易に、しかも歩留まり良く製造することができるよう
にした電子放出素子の製造方法を提供することを目的と
するものである。

課題を解決するための手段上記目的を達成するため、本発明の電子放出素子は、絶
縁基板と、この絶縁基板の上に形成されたベースｔｉと
、このベース電極の上に形成され、エツジ部を有し、幅
が徐々に変わる陰極材料層と、この陰極材料層の外側方
で所定の間隔をおいて順次形成された絶縁層および上記
陰極材料層から電子を引き出すための制御電極とを備え
たものである。

または、絶縁基板と、この絶縁基板の上に形成されたベ
ース電極と、このベース電極の上に形成され、エツジ部
を有し、幅が徐々に変わる陰極材料層と、上記ベース電
極における少なくとも陰極材料層が形成されていない表
面に形成された絶縁層と、上記陰極材料層の外側方で所
定の間隔をおいて順次形成された絶縁層および上記陰極
材料層から電子を引き出すための制ｉｔ極とを備えたも
のである。

そして、上記陰極材料層の外側方で形成された絶縁層は
上記陰極材料層の厚さと同等以上の厚みを有するように
設定することができる。

また、上記ベース電極を所定の幅のストライプ状に形成
して所定のピッチで並列し、上記制御Ｈｚ極を所定の幅
のストライプ状に形成して上記ベース電極と直交するよ
うに所定のピッチで並列し、アレイ状に構成することが
できる。

また、上記目的を達成するため、本発明の電子放出素子
の製造方法は、絶縁基板上にベース電極を形成し、この
ベース電極の上に陰極材料層とこの陰極材料層とは異な
る材料からなる被覆材を順次形成し、これら被覆材およ
び陰極材料層を幅が徐々に変わる形状にエッチング加工
し、上記ベース電極における少なくとも陰極材料層が形
成されていない表面に陽極酸化、熱酸化等の処理により
絶縁層を形成し、この絶縁層および上記被覆材の上方か
ら絶縁層および制御電極を形成し、その後、上記被覆材
をその上の絶縁層および制御電極と共に除去するように
したものである。

そして、上記陰極材料層を上記被覆材よりも小さいパタ
ーンとなるようにエツチング加工する。

作用したがって、本発明の電子放出素子によれば、陰極材料
層をその幅が徐々に変わるパターンに形成することによ
り、陰極材料層と制御電極のパターン精度にバラツキが
生しても、電子放出に必要な電界強度となるエツジ部が
必ず存在し、エツジ部に電界集中しやすくすることがで
きる。

また、ベース電極の表面に絶縁層を形成し、この絶縁層
上に絶縁層を介して制御電極を形成することにより、陰
極材料層と制御電極との間の絶縁耐電圧を向上させるこ
とができ、陰極のエツジ部に電界が集中しやすくするこ
とができる。

また、制ｉｔ極を陰極材料層の上面と同等、あるいはそ
れより高い位置に形成することにより、陰極材料層のエ
ツジ部より放出された電子の広がりを防止することがで
きる。

また、本発明の電子放出素子の製造方法によれば、電子
を陰極材料層のエツジ部から放出させるので、ベース電
極をスパッター法等により形成し、陰極材料層をスパッ
ター法、エツチング加工等により形成し、ベース電極の
表面の絶縁層を陽極酸化、熱酸化等の処理により形成し
、その上の絶縁層および制御電極をスパンター法等によ
り形成し、陰極を針状に加工する必要がない。しかも、
所定の形状に形成した陰極材料層を基準に制御電極を形
成し、陰極材料層と制御電極の位置関係の精度を向上さ
せることができる。

実施例以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。

第１図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の一実施例における電子
放出素子を示し、第１図（ａ）は平面図、第１図（ト）
）および（Ｃ）はそれぞれ第１図（ａ）のＴｂ−１ｂ線
およびＩｃ−１ｃ線に沿う断面図である（第１図（ａ）
の平面図では、理解しやすいように、第１図（ｂ）、　
（Ｃ）に対応する各部に同方向の斜線を付している）。

第１図（ａ）〜（Ｃ）に示すように、ガラス等からなる
絶縁基板１の上に導電性物質からなるベース電極２が形
成され、ベース電極２の上にこのベース電極２から電流
を供給される陰極材料層３が形成されている。この陰極
材料層３としては、仕事関数が低く、かつ高融点の材料
、例えば、５ｉＣ２ＺｒＣ，ＴｉＣ，Ｍｏ、Ｗ等が用い
られる。陰極材料層３は中心より四方に延びる十字状で
、エツジ部３ａを有するように断面において矩形、若し
くは台形に形成され、かつ平面における幅Ｗが先端側か
ら中心側に至るに従い○から所定の大きさまで徐々に直
線的に変化する形状に設定されている。なお、陰極材料
層３は上記パターン形状に限定されるものではな（、ま
た幅Ｗの変化も次第に変化すればよく、直線的な変化に
限定されるものではない。ベース電極２の上の陰極材料
層３の下側外縁部と陰極材料層３の形成されていない部
分、少なくとも陰極材料層３の形成されていない部分に
は絶縁層４が形成されている。陰極材料層３の外側方、
図示例では陰極材料層３の周囲にはこの陰極材料層３に
対し、所定の間隔をおいて絶縁層５と制御電極６が絶縁
層４の上に順次形成されている。絶縁層５はＡ１．Ｏ，
、Ｓ　ｉ　Ｏを等からなり、陰極材料層３の厚さと同等
以上の厚さに形成され、制御電極６は陰極材料層３から
電子を引き出すためのものであり、金属等で形成されて
いる。

以上の構成において、以下、その動作について説明する
。

陰極材料層３が負となり、制御電極６が正となるように
両者の間に電圧を印加する。これにより陰極材料層３の
エツジ部３ａに電気力線が集中し、強を界となる。この
とき、陰極材料層３および制御電極６の幅が場所によっ
て徐々に変わっているので、電界強度も変化する。した
がって、作製時に陰極材料層３および制御電極６のパタ
ーン精度にバラツキが生じても、電子放出するのに必要
な電界強度となる陰極材料層３のエツジ部は必ず存在し
、安定した電子放出特性を得ることができる。また、制
御電極６を陰極材料層３の上面と同等、あるいはそれよ
り高い位置に形成しているので、陰極材料層３のエツジ
部３ａより放出された電子の広がりを防止することがで
き、陰極材料層３の上面にほぼ垂直な方向に進行させる
ことができ、したがって、電子ビームの質を向上させる
ことができる。

次に、第１図に示した構造の電子放出素子の製造方法に
ついて第２図（ａ）〜ｆｆｌに示す断面図を参照しなが
ら説明する。

まず、第２図（ａ）に示すように、ガラス等の絶縁基板
１の上に、ＡＩ、Ｔａ等の導電性物質からなるベース電
極２を真空蒸着、あるいはスパッター等の方法で所定の
膜厚に形成し、続いてベース電極２の上にＳｉＣ，Ｚｒ
Ｃ，ＴｉＣ，Ｍｏ、Ｗ等からなる陰極材料層３を同様に
して所定の膜厚に形成する。更に、陰極材料層３の上に
リフトオフ材７を同様にして後述の絶縁層５の膜厚より
厚く形成して被覆する。このリフトオフ材７は金属、若
しくは絶縁物を用いることができ、後述のプロセスにお
いて、陰極材料層３のエツチング加工時に耐え、また、
これを除去するときに他の材料を腐食しないような材料
であれば良い。

次に、第２図（ｂ）に示すように、上記陰極材料層３の
パターン状でホトレジスト８をリフトオフ材７上に形成
し、このホトレジスト８を保護膜として、リフトオフ材
７および陰極材料層３をエツチング加工する。更に、第
２図（Ｃ）に示すように、陰極材料層３のみをエツチン
グし、リフトオフ材７より所定量だけ小さいパターンに
加工する。

次に、第２図（切に示すように、少なくとも陰極材料層
３が形成されていない導電性物質からなるベース電極２
の表面を絶縁層４となるように処理する。この処理は、
陰極酸化法によって行うことができ、導電性物質として
ＡＩを用いたときには、Ａ１．Ｏ！、Ｔａを用いたとき
には、Ｔａｘ○。

の良質の酸化物絶縁層４を得ることができる。この処理
時に、陰極材料層３の下側外縁部まである程度、絶縁層
４を形成するのが望ましい。

次に、第２図（ｅ）に示すように、ホトレジスト８を除
去し、絶縁層４およびリフトオフ材７の上方から絶縁層
５および金属からなる制御電極６をスパッター法等によ
り順次全面に形成する。このとき、絶縁層５の膜厚は、
陰極材料層３の膜厚と同等、若しくはそれ以上とする。

この工程に入る前に上記のようにホトレジスト８を除去
しなければならないが、絶縁層４と５および絶縁層５と
制御電極６との密着性を向上させるため、全体を加熱す
る場合には、ホトレジスト８を除去しておくことにより
、これが分解して試料を汚さないようにすることができ
る。また、絶縁層５を形成する絶縁層４の表面には、こ
れまでの工程での処理および取り扱い方等で異物が付着
していたり、汚染されている場合が多いため、絶縁層５
をスバ、ター法で形成する場合には、あらかじめ不活性
ガスイオンで絶縁層４の表面を清浄化処理することが望
ましい。

次に、リフトオフ材７を除去することにより、第２図（
ｆ）に示すように、リフトオフ材７の上の絶縁層５およ
び制ｗ′ｒｌ極６も同時に除去して陰極材料層３を露出
させてエツジ部３ａを形成すると共に、この陰極材料層
３を所定の間隔をおいて囲むように絶縁層５、制御電極
６を形成することができる。当然のことながら、制御電
極６に使用する金属は、リフトオフ材７を除去する工程
で腐食されない等、化学的、物理的に安定な材料である
必要がある。

次に、上記構造の電子放出素子を平面デイスプレィパネ
ルに用いた例について説明する。第３図（ａ）は平面デ
イスプレィパネルの一部平面図、第３図ら）は第３図（
ａ）のｍｂ−ｍｂ線に沿う断面図である（第３図（ａ）
の平面図では、理解しやすいように、第３図■）に対応
する各部に同方向の斜線を付している）。

第３図（ａ）、　（ｂ）に示すように、絶縁基板１の上
に一例として、垂直方向に長いストライプ状のベース電
極２が水平方向に所定のピッチで多数並列され、このベ
ース電極２の上に陰極材料層３が上記のような所定のパ
ターン形状で多数形成されている。少なくとも陰極材料
層３が形成されていないベース電極２の表面には絶縁層
４が形成されている。陰極材料層３の外側方、図示例で
は陰極材料層３の周囲にはこの陰極材料層３に対し、所
定の間隔をおいて絶縁層５と制御電極６が絶縁層４と絶
縁基板１の上に順次形成されている。制ｉｔ極６はベー
ス電極２と直交するように水平方向に長いストライプ状
に配置され、したがって、陰極材料層３に対応する部分
に窓が開いたように形成されている。そして、制御電極
６は、垂直方向に所定のピッチで互いに電気的に分離さ
れて多数並列されている。制御電極６の前方に所定の距
離をおいて透明基板９が配置され、透明基板９の制ＷＥ
電極６側の内面には透明な導電膜１０と蛍光体からなる
発光層１１が順次形成されている。なお、透明導電膜１
０に代えて発光層１１の上に、通常のブラウン管のよう
に、ＡＩの薄膜を形成してもよい。

以上の構成の平面デイスプレィパネルにおいて、以下、
その動作について説明する。

標準のテレビ方式の画像を表示する場合には、陰極材料
層３が形成されているベース電極２は、必要とする水平
方向の絵素の数の本数だけ並置され、また、制御電極６
は画像表示に有効な走査線数の本数だけ並置される。こ
こで、特定のベース電極２と制ｍａｔ極６に所定の電圧
を印加すると、陰極材料層３の表面は強電界となり、電
子が放出され、この電子が発光層１１に当たって発光す
る。

このとき、ベース電極２と制？ｌｌ１ｔ極６の間に印加
する電圧、あるいは所定の一定電圧の印加時間を変える
ことにより、発光層１１からの光量、すなわち、明るさ
を変えることができる。したがって、Ｘ−Ｙマトリクス
構成のプラズマデイスプレィ、液晶デイスプレィと基本
的に同じように駆動することにより、電子線励起による
蛍光体発光画像を表示することができる。

上記のようにそれぞれ複数本の陰極材料層３と制御電極
６を直交させ、その交点である電子放出部の陰極材料層
３の平面における幅を少なくとも一部が徐々に変化する
形状に形成し、電子放出領域を多くしているので、１絵
素当たりの電子放出量を多くすることができると共に、
均一な電子放出特性をマトリックス電子放出源とするこ
とができる。

図示例では、ベース電極２と制御電極６の交叉する部分
に陰極材料層３を４個づつ配置しているが、これに限定
されるものではない。

発明の詳細な説明したように本発明の電子放出素子によれば、陰極
材料層をその幅が徐々に変わるパターンに形成すること
により、陰極材料層と制御電極のパターン精度にバラツ
キが生じても、電子放出に必要な電界強度となるエツジ
部が必ず存在し、そのエツジ部に電界集中しやすくする
ことができる。したがって、電子放出効率を高めること
ができる。

また、ベース電極の表面に絶縁層を形成し、この絶縁層
上に絶縁層を介して制御電極を形成することにより、陰
極材料層と制御電極との間の絶縁耐電圧を向上させるこ
とができ、陰極のエツジ部に電界が集中しやすくするこ
とができる。したがって、電子放出効率を高めると共に
、信幀性を向上させることができる。

また、制御電極を陰極材料層の上面と同等、あるいはそ
れより高い位置に形成することにより、陰極材料層のエ
ツジ部より放出された電子の広がりを防止することがで
きる。したがって、質の高い電子ビームを得ることがで
きる。

また、マトリックス電子放出源として、多くの電子を均
一に放出させることができる。

また、本発明の電子放出素子の製造方法によれば、電子
を陰極材料層のエツジ部から放出させるので、ベースｔ
８ｉをスパッター法等により形成し、陰極材料層をスパ
ッター法、エツチング加工等により形成し、ベース電極
の表面の絶縁層を陽極酸化、熱酸化等の処理により形成
し、その上の絶縁層および制御電極をスパッター法等に
より形成し、陰極を針状に加工する必要がなく、したが
って、容易に製造することができる。しかも、所定の形
状に形成した陰極材料層を基準に制御電極を形成し、陰
極材料層と制ｍａｔ極の位置関係の精度を向上させるこ
とができる。したがって、電子放出量の揃った電子放出
素子を歩留まり良く製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の一実施例における電子
放出素子を示し、第１図（ａ）は平面図、第１図［有］
）および（Ｃ）はそれぞれ第１図（ａ）のＩｂ−１ｂ線
およびＩｃ−Ｉｃ線に沿う断面図、第２図（ａ）〜（ｆ
）は上記電子放出素子の製造構成説明用の断面図、第３
図（ａ）は上記電子放出素子を平板デイスプレィパネル
に用いた例を示す平面図、第３図［有］）は第３図（ａ
）のｍｂ−ｍｂ線に沿う断面図、第４図（ａ）は従来の
電子放出素子の製造途中の状態を示す断面図、第４図（
ｂｌは従来の電子放出素子の製造完成状態を示す断面図
である。ｌ・・・・・・絶縁基板、２・・・・・・ベース電極、
３・・・・・・陰極材料層、４・・・・・・絶縁層、５
・・・・・・絶縁層、６・旧・・制御電極、７・・・・
・・リフトオフ材、８・旧・・ホトレジスト、９・・・
・・・透明基板、１０・・・・・・導電膜、１１・・・
・・・発光層。代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はが１名筆図第図第３図＜ｂ）９Ａ四基ぽ、

Claims

【特許請求の範囲】

（１）絶縁基板と、この絶縁基板の上に形成されたベー
ス電極と、このベース電極の上に形成され、エッジ部を
有し、幅が徐々に変わる陰極材料層と、この陰極材料層
の外側方で所定の間隔をおいて順次形成された絶縁層お
よび上記陰極材料層から電子を引き出すための制御電極
とを備えた電子放出素子。
（２）絶縁基板と、この絶縁基板の上に形成されたベー
ス電極と、このベース電極の上に形成され、エッジ部を
有し、幅が徐々に変わる陰極材料層と、上記ベース電極
における少なくとも陰極材料層が形成されていない表面
に形成された絶縁層と、上記陰極材料層の外側方で所定
の間隔をおいて順次形成された絶縁層および上記陰極材
料層から電子を引き出すための制御電極とを備えた電子
放出素子。
（３）陰極材料層の外側方で形成された絶縁層が上記陰
極材料層の厚さと同等以上の厚みを有する請求項１また
は２記載の電子放出素子。
（４）ベース電極が所定の幅を有するストライプ状に形
成されて所定のピッチで並列され、制御電極が所定の幅
を有するストライプ状に形成されて上記ベース電極と直
交するように所定のピッチで並列され、アレイ状に構成
された請求項１ないし３のいずれかに記載された電子放
出素子。
（５）絶縁基板上にベース電極を形成し、このベース電
極の上に陰極材料層とこの陰極材料層とは異なる材料か
らなる被覆材を順次形成し、これら被覆材および陰極材
料層を幅が徐々に変わる形状にエッチング加工し、上記
ベース電極における少なくとも陰極材料層が形成されて
いない表面に陽極酸化、熱酸化等の処理により絶縁層を
形成し、この絶縁層および上記被覆材の上方から絶縁層
および制御電極を形成し、その後、上記被覆材をその上
の絶縁層および制御電極と共に除去する電子放出素子の
製造方法。
（６）陰極材料層を被覆材よりも小さいパターンとなる
ようにエッチング加工する請求項５記載の電子放出素子
の製造方法。