(57)【要約】【課題】炭素繊維の先端とゲート電極との距離の基板内ばらつきが抑制された炭素繊維装置及び炭素繊維装置の製造方法を提供する。【解決手段】カソード電極２０、絶縁膜３０及びゲート電極４０を積層するステップと、絶縁膜３０及びゲート電極４０を貫通するホール５０を形成してカソード電極２０の電子放出面２０ａを露出させるステップと、電子放出面２０ａ上に炭素繊維１００を成長させながら、炭素繊維１００とゲート電極４０との接触によるカソード電極２０とゲート電極４０間の短絡をリアルタイムで監視するステップと、短絡を検知した場合にゲート電極４０と接触する炭素繊維１００を切断するステップとを含む。【選択図】図１
2010080402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極、絶縁膜及びゲート電極を積層するステップと、
前記絶縁膜及び前記ゲート電極を貫通するホールを形成して前記カソード電極の電子放出面を露出させるステップと、
前記電子放出面上に炭素繊維を成長させながら、前記炭素繊維と前記ゲート電極との接触による前記カソード電極と前記ゲート電極間の短絡をリアルタイムで監視するステップと、
前記短絡を検知した場合に、前記ゲート電極と接触する前記炭素繊維を切断するステップと
を含むことを特徴とする炭素繊維装置の製造方法。
【請求項２】
前記カソード電極と前記ゲート電極間に一定の電流が流れた場合に、前記カソード電極と前記ゲート電極間の短絡を検知することを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維装置の製造方法。
【請求項３】
前記カソード電極と前記ゲート電極間に切断電圧を印加して、前記ゲート電極と接触する前記炭素繊維を切断することを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素繊維装置の製造方法。
【請求項４】
複数の前記電子放出面を有する炭素繊維装置において、前記炭素繊維の成長レートが最も遅い前記電子放出面における前記炭素繊維が一定の長さに成長するまで、複数の前記電子放出面で前記炭素繊維を成長させ続けることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の炭素繊維装置の製造方法。
【請求項５】
前記炭素繊維の長さを、前記炭素繊維の成長時間で判断することを特徴とする請求項４に記載の炭素繊維装置の製造方法。
【請求項６】
カソード電極と、
前記カソード電極上に配置された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に配置されたゲート電極と、
前記絶縁膜及び前記ゲート電極を貫通するホールの底面に露出された前記カソード電極の電子放出面上に配置された炭素繊維と
を備え、前記ホール内で成長した一群の前記炭素繊維からなる炭素繊維群が全体として円柱形状をなすことを特徴とする炭素繊維装置。
【請求項７】
複数の前記カソード電極と複数の前記ゲート電極とが交差する複数の領域がなすマトリクス状の交差領域にそれぞれ形成された前記ホールの底面に露出された前記電子放出面上に前記炭素繊維が配置されていることを特徴とする請求項６に記載の炭素繊維装置。
【請求項８】
前記炭素繊維と前記ゲート電極間の距離が、前記マトリクスの中央領域と周辺領域とで一定であることを特徴とする請求項７に記載の炭素繊維装置。
【請求項９】
前記ホールの底面の周辺部分に配置された前記炭素繊維の先端と前記ゲート電極間との距離が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の炭素繊維装置。
【請求項１０】
前記ゲート電極の上方に、前記カソード電極に対向して配置されたアノード電極を更に備えることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の炭素繊維装置。
【請求項１１】
前記アノード電極の前記カソード電極に対抗する面に配置された蛍光体膜を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の炭素繊維装置。
【請求項１２】
前記アノード電極の前記カソード電極に対抗する面に配置された光電交換膜を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の炭素繊維装置。
【請求項１３】
前記電子放出源が、カーボンナノチューブ又はグラファイトナノファイバであることを特徴とする請求項６乃至１２のいずれか１項に記載の炭素繊維装置。
【請求項１４】
前記カソード電極上での成長中に前記ゲート電極と接触した前記炭素繊維を、前記カソード電極と前記ゲート電極間に一定の切断電圧を印加して切断したことを特徴とする請求項６乃至１３のいずれか１項に記載の炭素繊維装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバ等の炭素繊維を有する炭素繊維装置及び炭素繊維装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイトナノファイバ（ＧＮＦ）等のナノスケールの炭素繊維（カーボンファイバ）が、フィールドエミッションアレイ（ＦＥＡ）や、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）等の炭素繊維装置に使用されている。これらの炭素繊維装置は、炭素繊維を電子放出源として使用する。例えば、電子放出源から放出された電子を蛍光体膜に衝突させることにより、蛍光体膜が励起され発光する。
【０００３】
通常、炭素繊維装置は、カソード電極上に炭素繊維を配置し、炭素繊維の配置された領域を囲むようにカソード電極上に絶縁膜とゲート電極を形成した構造である。炭素繊維を形成する一般的な方法は、絶縁膜とゲート電極を部分的にエッチングして露出させたカソード電極上に炭素繊維の核となる触媒を配置し、熱化学気相成長（ＣＶＤ）法等により炭素繊維を成長させる方法である（例えば、特許文献１参照。）。このとき、炭素繊維の先端とゲート電極とが接触しないように炭素繊維を成長させる必要がある。
【特許文献１】特開２００４−３０３６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、一つの基板上で複数の領域に炭素繊維を形成する場合等に、基板上の領域によって炭素繊維が成長する速度（以下において、「成長レート」という。）が異なることがある。例えば、基板中央での成長レートが速く、基板周辺部での成長レートが遅い場合がある。
【０００５】
このとき、成長レートが遅い領域に合わせて炭素繊維の成長時間を設定すると、成長レートの速い領域の炭素繊維が伸びすぎて、炭素繊維の先端がゲート電極に接触するという問題があった。この場合、炭素繊維装置が不良品となる。
【０００６】
一方、成長レートが速い領域に合わせて成長時間を設定すると、成長レートの遅い領域の炭素繊維が所望の長さより短くなる。このため、成長レートの遅い領域においてゲート電極と炭素繊維の先端との距離が長くなる。この場合、成長レートの遅い領域の炭素繊維から電荷が放出されないという問題が生じる。
【０００７】
上記問題点を鑑み、本発明は、炭素繊維の先端とゲート電極との距離の基板内ばらつきが抑制された炭素繊維装置及び炭素繊維装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、（イ）カソード電極、絶縁膜及びゲート電極を積層するステップと、（ロ）絶縁膜及びゲート電極を貫通するホールを形成してカソード電極の電子放出面を露出させるステップと、（ハ）電子放出面上に炭素繊維を成長させながら、炭素繊維とゲート電極との接触によるカソード電極とゲート電極間の短絡をリアルタイムで監視するステップと、（ニ）短絡を検知した場合に、ゲート電極と接触する炭素繊維を切断するステップとを含む炭素繊維装置の製造方法が提供される。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、（イ）カソード電極と、（ロ）カソード電極上に配置された絶縁膜と、（ハ）絶縁膜上に配置されたゲート電極と、（ニ）絶縁膜及びゲート電極を貫通するホールの底面に露出されたカソード電極の電子放出面上に配置された炭素繊維とを備え、ホール内で成長した一群の炭素繊維からなる炭素繊維群が全体として円柱形状をなすことを特徴とする炭素繊維装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、炭素繊維の先端とゲート電極との距離の基板内ばらつきが抑制された炭素繊維装置及び炭素繊維装置の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１２】
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の製造方法は、図１に示すカソード電極２０、カソード電極２０上に配置された絶縁膜３０、絶縁膜３０上に配置されたゲート電極４０、及び絶縁膜３０とゲート電極４０を貫通するホール５０の底面に露出されたカソード電極２０の電子放出面２０ａ上に配置された炭素繊維１００を有する炭素繊維装置１等に適用可能な製造方法である。即ち、カソード電極２０、絶縁膜３０及びゲート電極４０を積層するステップと、絶縁膜３０及びゲート電極４０を貫通するホール５０を形成してカソード電極２０の電子放出面２０ａを露出させるステップと、電子放出面２０ａ上に炭素繊維１００を成長させながら、炭素繊維１００とゲート電極４０との接触によるカソード電極２０とゲート電極４０間の短絡をリアルタイムで監視するステップと、短絡を検知した場合にゲート電極４０と接触する炭素繊維１００を切断するステップとを含む。
【００１４】
図２に炭素繊維装置１の上面図を示す。図１は、図２のＩ−Ｉ方向に沿った断面図である。図１ではホール５０の電子放出面２０ａに沿った形状が円形である例を示したが、円形以外の多角形等の形状であってもよいことはもちろんである。
【００１５】
炭素繊維１００は、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイトナノファイバ（ＧＮＦ）、カーボンナノファイバ（ＣＮＦ）、カーボンナノコイル等を含むナノスケールの炭素繊維（カーボンファイバ）である。触媒１５０には、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）からなる４２６合金膜等が採用可能である。
【００１６】
基板１０には、例えばニッケル（Ｎｉ）基板や、ステンレス鋼（ＳＵＳ）基板等の金属プレートが採用可能である。カソード電極２０には、クロム（Ｃｒ）膜等が採用可能である。絶縁膜３０には酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜等が採用可能である。ゲート電極４０にはＣｒ膜等が採用可能である。
【００１７】
図１に示した調整装置２００は、炭素繊維１００の成長工程中に、炭素繊維１００とゲート電極４０との接触に起因するカソード電極２０とゲート電極４０間の電気的な短絡（ショート）をリアルタイムで監視する。そして、カソード電極２０とゲート電極４０間の短絡を検知した場合に、調整装置２００はゲート電極４０と接触する炭素繊維１００を炭素繊維１００の成長工程中に切断して、炭素繊維１００とゲート電極４０との接触を遮断する。
【００１８】
例えば調整装置２００は、炭素繊維１００の成長工程中にカソード電極２０とゲート電極４０間に一定の検知電圧Ｖｄを印加する。カソード電極２０とゲート電極４０間に電気的な接触がない場合、カソード電極２０とゲート電極４０間に電流は流れない。しかし、炭素繊維１００の成長工程中に炭素繊維１００とゲート電極４０が接触すると、カソード電極２０とゲート電極４０間に検知電流Ｉｄが流れる。調整装置２００は、検知電流Ｉｄを検知することによって、カソード電極２０とゲート電極４０間の短絡を検知する。例えば、検知電圧Ｖｄを５Ｖ程度に設定し、検知電流Ｉｄが一定値以上、例えば１ｍＡ以上流れた場合に、調整装置２００は、カソード電極２０とゲート電極４０間に電気的な接触が生じたことを検知する。
【００１９】
カソード電極２０とゲート電極４０間の短絡を検知した場合、調整装置２００は、例えば切断電圧Ｖｃをカソード電極２０とゲート電極４０間に印加する。切断電圧Ｖｃの印加によりゲート電極４０と接触している炭素繊維１００が溶断され、炭素繊維１００とゲート電極４０との接触が遮断される。切断電圧Ｖｃは、例えば３０Ｖ程度のパルス電圧である。
【００２０】
多数の炭素繊維１００がゲート電極４０に接触した状態では、通電によって炭素繊維１００を切断することは困難である。しかし、調整装置２００は、炭素繊維１００の成長工程中にリアルタイムで炭素繊維１００とゲート電極４０の接触を監視する。このため、ゲート電極４０と接触する炭素繊維１００の本数が少ない段階で切断電圧Ｖｃを印加できる。したがって、ゲート電極４０と接触する炭素繊維１００を容易に切断できる。
【００２１】
図３に、炭素繊維１００の一部がゲート電極４０と接触した例を示す。破線で囲んで示したように、炭素繊維１００の成長工程中に、炭素繊維１００の先端がゲート電極４０と接触する。
【００２２】
図４に、炭素繊維装置１がフィールドエミッションアレイ（ＦＥＡ）である場合の、本発明の実施の形態に係る製造方法を適用した例を示す。図４に示したＦＥＡは、行方向に延伸するｍ本のカソード電極２１〜２ｍと、列方向に延伸するｎ本のゲート電極４１〜４ｎを有する（ｍ、ｎは２以上の整数。）。ただし、図４は炭素繊維１００の成長工程段階でのＦＥＡを示しているため、図４に示したカソード電極２０はカソード電極２１〜２ｍの各端部が接続されたカソード共通電極２１０を有する。同様に、図４に示したゲート電極４０は、ゲート電極４１〜４ｎの各端部が接続されたゲート共通電極４１０を有する。カソード共通電極２１０は配線２２０により調整装置２００に接続され、ゲート共通電極４１０は配線２４０により調整装置２００に接続される。
【００２３】
図４に示すように、カソード電極２１〜２ｍとゲート電極４１〜４ｎが交差する複数の領域によって、ｍ行×ｎ列のマトリクス状に配置された複数の交差領域が形成される。交差領域のそれぞれにおいて、絶縁膜３０及びゲート電極４０を貫通するホール５０の底面に露出されたカソード電極２０の電子放出面２０ａ上に炭素繊維が配置されている。図４は、各交差領域に４つのホール５０が形成された例を示している。
【００２４】
図５に、ゲート電極４ｊと、カソード電極２ｉ及びカソード電極２ｍとの交差領域の断面図を示す（１＜ｊ＜ｎ、１＜ｉ＜ｍ）。ゲート電極４ｊとカソード電極２ｉとの交差領域は基板１０の主面上の中央領域にあり、ゲート電極４ｊとカソード電極２ｍとの交差領域は基板１０の主面上の周辺領域にある。図５に示すように、ゲート電極４ｊとカソード電極２ｉとの交差領域に形成されるホール５０ｉ内に炭素繊維１００ｉが形成され、ゲート電極４ｊとカソード電極２ｍとの交差領域に形成されるホール５０ｍ内に炭素繊維１００ｍが形成される。
【００２５】
炭素繊維１００の成長レートが、基板１０の主面上の中央領域に形成される炭素繊維１００ｉの成長レートが、周辺領域に形成される炭素繊維１００ｍの成長レートより速い場合がある。これは、炭素繊維１００の成長工程において、基板中央領域の方が基板周辺領域より高温になること等が原因と考えられる。この場合、炭素繊維１００の成長工程の任意の時点において、図５に示すように、ホール５０ｉ内の炭素繊維１００ｉの長さｔｉと比べて、ホール５０ｍ内の炭素繊維１００ｍの長さｔｍは短い。
【００２６】
成長レートの遅い周辺領域に合わせて炭素繊維１００の成長時間を設定すると、成長レートの速い中央領域の炭素繊維１００ｉが伸びすぎて、炭素繊維１００ｉの先端がゲート電極に接触する。一方、成長レートが速い中央領域に合わせて炭素繊維１００の成長時間を設定すると、成長レートの遅い周辺領域の炭素繊維１００ｍが所望の長さより短くなり、ゲート電極４０と炭素繊維１００ｍの先端との距離が長くなる。この場合、中央領域の炭素繊維１００ｉから電子が放出されるゲート電圧ＶGをカソード電極２０とゲート電極４０間に印加しても、周辺領域の炭素繊維１００ｍからは電子が放出されないという問題が生じる。
【００２７】
ゲート電圧ＶGを大きくすることにより周辺領域の炭素繊維１００ｍからも電子を放出させることはできるが、消費電力が増大する。また、炭素繊維１００の先端とゲート電極４０との距離の差に起因して、中央領域の炭素繊維１００ｉと周辺領域の炭素繊維１００ｍとで放出される電子数に差が生じる。このため、図４に示したＦＥＡをディスプレイ等の光源に使用した場合に、ディスプレイに色むらが生じる。
【００２８】
以上では、基板１０の主面上の中央領域と周辺領域とで炭素繊維１００の成長レートが異なる例を示した。上記以外でも、炭素繊維１００の成長方法や成長装置等の影響により、基板１０上の位置に依存して成長レートが異なる場合がある。また、触媒１５０の膜厚の面内分布やホール５０内の原料ガスの流れ方等が炭素繊維１００の成長レートの基板面内分布を生じさせる。例えば基板１０の右側周辺領域と左側周辺領域とで炭素繊維１００の成長レートが異なる場合がある。
【００２９】
炭素繊維１００を配置する範囲が広いほど、成長レートの偏りが発生しやすくなる。例えば、図６に示すように、対角線長ｄが１．７インチの基板１０の主面上に６４０本のカソード電極２０と６４０本のゲート電極４０を配置する炭素繊維装置１が製造される。このとき、カソード電極２０とゲート電極４０との交差領域の数は６４０×６４０個であり、各交差領域に４個のホール５０を形成する場合には、ホール５０の数は６４０×６４０×４個である。このように炭素繊維１００の配置される領域が広い場合に、本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の製造方法は特に有効である。
【００３０】
本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置１の製造方法は、例えば図７に示す熱ＣＶＤ装置を用いて実施可能である。図７に示した熱ＣＶＤ装置では、電極引き出し部３１２を介して、調整装置２００がカソード電極２０とゲート電極４０に電気的に接続されている。このため、調整装置２００は、カソード電極２０とゲート電極４０間の短絡をリアルタイムで監視できる。更に、カソード電極２０とゲート電極４０間の短絡を検知した場合、調整装置２００は、切断電圧Ｖｃをカソード電極２０とゲート電極４０間に印加して、炭素繊維１００の一部を切断できる。
【００３１】
チャンバー３１０の内部は５８０℃程度になる。このため、カソード電極２０と調整装置２００とを接続する配線２２０、及びゲート電極４０と調整装置２００とを接続する配線２４０は、金（Ａｕ）線であることが好ましい。ただし、カソード電極２０及びゲート電極４０がＣｒ膜であり、配線２２０及び配線２４０がＡｕ線である場合、以下のようにしてＣｒ膜とＡｕ線間の接触抵抗を低減することが望ましい。
【００３２】
カソード共通電極２１０及びゲート共通電極４１０がＣｒ膜である場合、Ｃｒ膜の電気抵抗が大きいため、炭素繊維１００の成長中にＣｒ膜とＡｕ線との接触不良によってカソード共通電極２１０とゲート共通電極４１０間に通電できなくなる状態が高い確率で生じる。Ａｕ線をＣｒ膜に強く押さえつければＡｕ線とＣｒ膜間の接触抵抗は数十Ωになるが、抑え方が弱くなると接触抵抗は再び増大する。
【００３３】
このため、例えば図８（ａ）に示すように、配線２２０をカソード共通電極２１０とカーボンプレート３２０間に配置し、配線２４０をゲート共通電極４１０とカーボンプレート３４０間に配置する。図８（ｂ）は、カーボンプレート３２０によって配線２２０をカソード共通電極２１０に押し付けた状態の側面図である。ＣｒとＡｕの接触抵抗、及びＣｒとカーボン（Ｃ）の接触抵抗はそれぞれ数ｋΩ〜数ＭΩである。一方、カーボンとＡｕの接触抵抗は、軽い接触であっても数十Ωである。このため、カーボンプレート３２０によって配線２２０をカソード共通電極２１０に押し付け、カーボンプレート３４０によって配線２４０をゲート共通電極４１０に押し付けることにより、Ａｕ線とＣｒ膜電極間の抵抗を低減できる。
【００３４】
図９（ａ）に示すように、配線２２０と配線２４０をカーボンプレートで挟んでもよい。カソード共通電極２１０上に配置したカーボンプレート３２１、及びゲート共通電極４１０上に配置したカーボンプレート３４１は、Ａｕ線とＣｒ膜とを電気的に接続するためのカーボンプレートである。図９（ｂ）は、カーボンプレート３２０とカーボンプレート３２１で配線２２０を挟んだ状態の側面図である。図９（ｂ）に示したインジウム（Ｉｎ）膜３２５は、カソード共通電極２１０とカーボンプレート３２１間の接触抵抗を低減する。Ｉｎ膜を介して接触するＣｒ膜とカーボンの接触抵抗は数十Ωである。このため、溶融Ｉｎ膜により、配線２２０とカソード共通電極２１０間の抵抗、及び配線２４０とゲート共通電極４１０間の抵抗を低減できる。なお、ＩｎとＡｕは５８０℃還元雰囲気下で合金化してしまうため、注意が必要である。
【００３５】
既に述べたように、Ａｕとカーボンは軽く触れ合う程度であっても接触抵抗は数十Ω程度である。このため、図８〜図９に示したようなカーボンプレートの使用により、カソード共通電極２１０とゲート共通電極４１０間の通電できなくなる状態の発生を回避できる。
【００３６】
図１０〜図１２を参照して、本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の製造方法を説明する。なお、以下に述べる炭素繊維装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００３７】
（イ）図１０に示すように、基板１０上にカソード電極２０、絶縁膜３０、ゲート電極４０を順に積層する。例えば、厚さ０．１〜０．５ｍｍ程度のＳＵＳ鋼板である基板１０上に、スパッタ法等により膜厚０．１〜０．５μｍ程度のＣｒ膜をカソード電極２０として形成する。カソード電極２０上にＳｉＯ2膜等の絶縁膜３０を形成した後、絶縁膜３０上に例えば膜厚０．１〜０．５μｍ程度のＣｒ膜をゲート電極４０として形成する。
【００３８】
（ロ）ゲート電極４０上にフォトレジスト膜４００を塗布する。フォトリソグラフィ技術によりフォトレジスト膜４００を露光現像して、フォトレジスト膜４００を所定の形状にパターニングする。具体的には、ホール５０を形成する領域上のフォトレジスト膜４００を除去する。次いで、フォトレジスト膜４００をマスクにして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法等の技術により、ゲート電極４０及び絶縁膜３０をカソード電極２０の表面が露出するまでエッチングして、図１１に示すようにホール５０を形成する。
【００３９】
（ハ）図１２に示すように、カソード電極２０の表面、即ち電子放出面２０ａと、フォトレジスト膜４００上に炭素繊維１００の核となる触媒１５０を形成する。例えばスパッタ法等により、膜厚１〜５ｎｍ程度の膜厚で４２６合金膜を形成する。
【００４０】
（ニ）フォトレジスト膜４００を除去した後、熱ＣＶＤ装置に基板１０を配置する。例えば図７に示した熱ＣＶＤ装置のチャンバー３１０内のサセプタ３１３上に基板１０を載せる。その後、ガス導入部３１１から炭素繊維１００の原料ガスをチャンバー３１０内に導入する。原料ガスとしては、例えば一酸化炭素／水素（ＣＯ／Ｈ2）混合ガスが採用可能であるが、他にも、二酸化炭素（ＣＯ2）ガス、メタン（ＣＨ4）ガス等の炭素（Ｃ）を供給可能なガスが採用可能である。
【００４１】
（ホ）熱ＣＶＤ法により、電子放出面２０ａ上に炭素繊維１００を成長させる。炭素繊維１００の成長工程中は、調整装置２００が、カソード電極２０とゲート電極４０間の電気的な接触をリアルタイムで監視する。そして、炭素繊維１００とゲート電極４０との接触によるカソード電極２０とゲート電極４０間の短絡を検知した場合は、ゲート電極４０と接触した炭素繊維１００を炭素繊維１００の成長工程中に切断する。具体的には、炭素繊維１００とゲート電極４０が接触することによってカソード電極２０とゲート電極４０間に流れる検知電流Ｉｄを検知すると、調整装置２００は切断電圧Ｖｃをカソード電極２０とゲート電極４０間に印加して、炭素繊維１００を切断する。
【００４２】
（へ）予め設定された成長時間が経過するまで炭素繊維１００を成長させることにより、図１に示した炭素繊維装置１が完成する。炭素繊維１００がＣＮＴの場合、炭素繊維１００の直径は２０ｎｍ程度である。
【００４３】
なお、炭素繊維装置１が図４に示したＦＥＡである場合、炭素繊維１００の成長工程後に、切断線Ｃｔにおいてカソード電極２０とゲート電極４０を切断し、カソード電極２１〜２ｍとゲート電極４１〜４ｎを電気的に分離する。ただし、炭素繊維装置１が、照明装置のように電子放出を個々のホール５０毎に制御する必要がない装置である場合は、切断線Ｃｔにおいてカソード電極２０とゲート電極４０を切断しなくてもよい。
【００４４】
触媒１５０を電子放出面２０ａに形成する方法は、上記のスパッタ法等の半導体プロセス技術に限られない。例えばスクリーン印刷法によって触媒１５０を電子放出面２０ａに形成してもよい。また、ガラスマスクを使用したスパッタ法により触媒１５０を電子放出面２０ａに形成してもよい。
【００４５】
炭素繊維１００の成長時間は、炭素繊維１００の成長レートが最も遅い領域の炭素繊維１００の長さが所望の長さになるように設定される。図５に示した例では、炭素繊維１００ｍが所望の長さになるように設定される。例えば、炭素繊維１００ｍの先端とゲート電極４０との距離が、炭素繊維１００ｍからの電子放出が生じるのに最適な距離になるように、炭素繊維１００の成長時間が設定される。
【００４６】
低いゲート電圧ＶGで炭素繊維１００から電子を放出させるには、炭素繊維１００の先端とゲート電極４０との距離が短いほど好ましい。このため、炭素繊維１００の先端とゲート電極４０のエッジ部との距離が所望の値になるように、炭素繊維１００の成長時間が設定される。例えば、ゲート電圧ＶGが３０Ｖ〜４０Ｖ程度である場合、炭素繊維１００の先端とゲート電極４０との距離は１００ｎｍ程度である必要がある。
【００４７】
なお、ホール５０中心部等のゲート電極４０から離れた位置の炭素繊維１００は、ゲート電極４０と接触せず、成長工程中において切断されない場合がある。このため、炭素繊維１００の長さが所望の長さより長くなる場合があるが、これらの炭素繊維１００はゲート電極４０から離れているため、電子が放出されない。したがって、電子放出量の面内分布が生じることはない。
【００４８】
上記に説明した炭素繊維装置１の製造方法によれば、成長レートが最も遅い領域の炭素繊維１００が所望の長さに成長するまで、炭素繊維１００の成長工程中に、ゲート電極４０と接触する成長レートが速い領域の炭素繊維１００が切断され続ける。このため、成長工程後の炭素繊維１００の長さは、基板１０上の位置に依存しない。つまり、炭素繊維１００の先端とゲート電極４０との距離の基板１０内ばらつきが抑制された炭素繊維装置１を実現できる。炭素繊維装置１では、炭素繊維１００の先端とゲート電極４０との距離が基板１０上でほぼ均一である。
【００４９】
上記に説明した炭素繊維装置の製造方法は、基板１０の面積が大きい場合に特に有効である。また、基板１０の面積が小さい場合でも、炭素繊維１００の先端とゲート電極４０との距離をできるだけ小さくしたい場合等に、本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の製造方法は有効である。
【００５０】
また、上記製造方法を実施することにより、炭素繊維１００の成長レートを知ることができる。これにより、その後の炭素繊維１００の成長条件を検討することができる。
【００５１】
以上に説明した製造方法により製造した炭素繊維装置１が８０本のカソード電極２１〜２８０と８０本のゲート電極４１〜４８０を有するＦＥＡである場合の、炭素繊維１００のＳＥＭ写真を図１３に示す。中央領域Ａのホール５０に形成された炭素繊維１００の高さｔａは４．２２μｍである。周辺領域Ｂ〜周辺領域Ｅのホール５０に形成された炭素繊維１００の高さｔｂ〜ｔｅは、ｔｂ＝３．６８μｍ、ｔｃ＝４．０６μｍ、ｔｄ＝３．４４μｍ、ｔｅ＝３．８２μｍである。図１３に示すように、中央領域Ａと周辺領域Ｂ〜周辺領域Ｅとで炭素繊維１００の高さの差は小さいことが確認された。また、周辺領域Ｃに形成されたホール５０の底面の周辺領域では、破線で囲んだ領域Ｃ２に示したように炭素繊維１００が切断されていることが確認された。
【００５２】
炭素繊維装置１の炭素繊維１００を徐々に拡大したＳＥＭ写真の例を図１４（ａ）〜図１４（ｄ）に示す。１つのホール５０内で成長した一群の炭素繊維１００からなる炭素繊維群は、全体として、頂面を電子放出面２０ａに接する円柱形状をなし、円柱の軸方向は電子放出面２０ａの面法線と平行である。図１４（ａ）〜図１４（ｄ）に示すように、この炭素繊維群の周囲の放射状に伸びる炭素繊維は切断されている。
【００５３】
図１３〜図１４に示したように、本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の製造方法によれば、大型基板の主面上において炭素繊維１００の先端とゲート電極４０との距離の基板１０内ばらつきが抑制された炭素繊維装置１を実現できる。炭素繊維装置１では、炭素繊維１００の先端とゲート電極４０との距離が基板１０上で均一であり、ゲート電極４０のエッジ部と円柱状の炭素繊維群の側面との距離はほぼ一定である。炭素繊維１００の長さよりも、ゲート電極４０と炭素繊維群の側面との距離の方が放出される電子数に与える影響が大きい。このため、ＦＥＡをディスプレイの光源に使用した場合に生じる色むら等が抑制される。更に、ゲート電極４０のエッジ部付近の炭素繊維１００が切断されるため、ゲート電極４０とカソード電極２０間のショートが少ない状態で、炭素繊維１００の高さ方向への成長が可能である。
【００５４】
図１５（ａ）〜図１５（ｃ）に、炭素繊維１００の成長中にゲート電極４０と接触する炭素繊維を切断しない関連技術によって形成された炭素繊維１００のＳＥＭ写真を示す。図１５（ａ）〜図１５（ｃ）に示すように、炭素繊維１００は放射状に成長しており、１つのホール内で成長した一群の炭素繊維１００が円柱形状の炭素繊維群はなすことはない。また、炭素繊維１００がゲート電極４０に接触しても、炭素繊維１００を切断することができない。
【００５５】
炭素繊維装置１が、図１６（ａ）に示すような８０本のカソード電極２１〜２８０を有するＦＥＡである場合の、放出電流密度を図１６（ｂ）に示す。図１６（ｂ）の横軸はカソード電極２１〜２８０をそれぞれ示すカソード電極番号である。縦軸は、カソード電極２１〜２８０でそれぞれ測定された放出電流密度を示す。放出電流密度はゲート電圧ＶG＝４０Ｖでの測定値である。
【００５６】
図１６（ｂ）に示すように、炭素繊維装置１のカソード電極２１〜２８０でそれぞれ測定された放出電流密度はほぼ一定である。具体的には、放出電流密度の平均値は３．７３ｍＡ／ｃｍ2であり、ばらつきを示すσは０．６８１ｍＡ／ｃｍ2である。つまり、成長中に炭素繊維１００を切断する方法で製造した炭素繊維装置１では、放出電流密度の基板上の位置依存性が小さい。
【００５７】
一方、本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の製造法を採用しない場合には、不良品が発生しないように、成長レートの速い領域に合わせて炭素繊維１００の成長時間を設定する必要がある。
【００５８】
図１６（ａ）に示したＦＥＡと同様の構成のＦＡＥを、成長中に炭素繊維１００を切断しない方法で製造した場合の放出電流密度のグラフを図１６（ｃ）に示す。図１６（ｃ）は、基板１０の主面上の中央領域の成長レートが速く、周辺領域の成長レートが遅い場合のカソード電極２１〜２８０の放出電流密度のグラフである。周辺領域の炭素繊維１００の先端とゲート電極４０間の距離が長いため、図１６（ｃ）に示すように、中央領域のカソード電極からは電子が放出されるが、周辺領域のカソード電極からは電子が放出されない。つまり、中央領域のカソード電極から電子が放出されるゲート電圧ＶGをカソード電極２０とゲート電極４０間に印加しても、周辺領域のカソード電極からは電子が放出されない。図１６（ｃ）に示した例では、放出電流密度平均値は２．６３ｍＡ／ｃｍ2であり、σは１．５５ｍＡ／ｃｍ2である。つまり、成長中に炭素繊維１００を切断しない方法で製造した炭素繊維装置では、炭素繊維１００の先端とゲート電極４０との距離が基板１０上で均一ではなく、放出電流密度の基板上の位置依存性が大きい。
【００５９】
図１３〜図１４に示したように、本発明の実施の形態に係る製造方法を使用して製造した炭素繊維装置１は、カソード電極２０と、カソード電極２０上に配置された絶縁膜３０と、絶縁膜３０上に配置されたゲート電極４０と、絶縁膜３０及びゲート電極４０を貫通するホール５０の底面に露出されたカソード電極２０の電子放出面２０ａ上に配置された炭素繊維１００とを備え、ホール５０内で成長した一群の炭素繊維１００からなる炭素繊維群が全体として円柱形状をなす炭素繊維装置である。
【００６０】
また、炭素繊維装置１がＦＥＡである場合は、複数のカソード電極２０と複数のゲート電極４０とが交差する複数の領域がなすマトリクス状の交差領域にそれぞれ複数のホール５０が形成され、各ホール５０の底面に露出されたカソード電極２０の電子放出面上に炭素繊維１００が配置される。それぞれのホール５０内で成長した一群の炭素繊維１００からなる炭素繊維群は、全体として円柱形状をなす。図１３に示したように、炭素繊維１００とゲート電極４０間の距離が、マトリクスの中央領域と周辺領域とで一定である。また、炭素繊維１００の長さは、マトリクスの中央領域と周辺領域とでほぼ一定である。
【００６１】
既に説明したように、炭素繊維１００の先端とゲート電極４０との距離が１００ｎｍ以下であれば、ゲート電圧ＶGが３０Ｖ程度の低電圧であっても炭素繊維１００から電子を放出可能である。本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置１では、ゲート電極４０と接触する炭素繊維１００を炭素繊維１００の成長中に切断する。これにより、ホール５０の底面の周辺部分における炭素繊維１００の先端とゲート電極４０との距離を基板１０上で面内分布なく一定値、例えば１００μｍになるように炭素繊維１００を成長させることができる。その結果、ＦＥＡをディスプレイの光源に使用した場合に生じる色むら等が抑制される。
【００６２】
図１に示した炭素繊維装置１を照明装置に適用した例を、図１７に示す。図１７に示した照明装置は、ゲート電極４０の上方に、カソード電極２０に対向して配置された透明のアノード電極９０を備える。そして、アノード電極９０のカソード電極２０の電子放出面２０ａに対抗する面に蛍光体膜８０が配置されている。
【００６３】
アノード電極９０には、例えばガラス板と酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜を積層した構成等が採用可能である。蛍光体膜８０の材料は、照明装置の所望の発光色等に応じて選択される。例えば、青色光を発光する場合にはＺｎＳ：Ａｇ蛍光体、緑色光を発光する場合にはＺｎＳ：Ａｕ、Ａｌ蛍光体、赤光を発光する場合にはＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+蛍光体等が蛍光体膜８０に採用可能である。
【００６４】
カソード電極２０とアノード電極９０間にアノード電圧ＶAを印加した状態で、カソード電極２０とゲート電極４０にゲート電圧ＶGを印加すると、ゲート電極４０によって炭素繊維１００から引き出された電子がアノード電極９０に引き寄せられる。アノード電圧ＶAは、例えば３ｋＶ〜８ｋＶ程度である。ゲート電圧ＶGは、例えば数Ｖ〜１００Ｖ程度である。
【００６５】
図１７に示した照明装置では、炭素繊維１００から引き出された電子が、アノード電極９０上に配置された蛍光体膜８０に衝突し、蛍光体膜８０が励起され発光する。蛍光体膜８０が発光した光は、アノード電極９０を透過して、炭素繊維装置の外部に出力される。
【００６６】
また、図１８に示すように、アノード電極９０のカソード電極２０の電子放出面２０ａに対抗する面に光電交換膜８５を配置することにより、炭素繊維装置１を適用したイメージセンサを実現できる。
【００６７】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６８】
既に述べた実施の形態の説明においては、炭素繊維１００を成長させる際の触媒１５０に４２６合金膜を使用する例を示したが、他の触媒を用いてもよいことはもちろんである。例えば、Ｆｅ膜を触媒１５０に使用してもよい。
【００６９】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の構成例を示す模式図である。
【図２】図１に示した炭素繊維装置の上面図である。
【図３】炭素繊維とゲート電極の接触例を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の他の構成例を示す模式図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ方向に沿った断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置のサイズ例を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の製造方法に使用する製造装置の例を示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の電極と配線の接続方法を説明するための模式図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の電極と配線の他の接続方法を説明するための模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の製造方法を説明するための工程図である（その１）。
【図１１】本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の製造方法を説明するための工程図である（その２）。
【図１２】本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の製造方法を説明するための工程図である（その３）。
【図１３】本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置のＳＥＭ写真である。
【図１４】本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置の他のＳＥＭ写真である。
【図１５】関連記述の炭素繊維装置のＳＥＭ写真である。
【図１６】炭素繊維装置の放出電流密度を説明するための図であり、図１６（ａ）は炭素繊維装置の構成例を示す模式図、図１６（ｂ）は本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置のカソード電極位置と放出電流密度との関係を示すグラフ、図１６（ｃ）は関連技術の炭素繊維装置のカソード電極位置と放出電流密度との関係を示すグラフである。
【図１７】本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置を照明装置に適用した例を示す模式図である。
【図１８】本発明の実施の形態に係る炭素繊維装置をイメージセンサに適用した例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７１】
１…炭素繊維装置
２１〜２ｍ…カソード電極
１０…基板
２０…カソード電極
２０ａ…電子放出面
３０…絶縁膜
４０…ゲート電極
４１〜４ｎ…ゲート電極
５０…ホール
８０…蛍光体膜
８５…光電交換膜
９０…アノード電極
１００…炭素繊維
１５０…触媒
２００…調整装置
【図１】
2010080402.tif 000003
【図２】
2010080402.tif 000004
【図３】
2010080402.tif 000005
【図４】
2010080402.tif 000006
【図５】
2010080402.tif 000007
【図６】
2010080402.tif 000008
【図７】
2010080402.tif 000009
【図８】
2010080402.tif 000010
【図９】
2010080402.tif 000011
【図１０】
2010080402.tif 000012
【図１１】
2010080402.tif 000013
【図１２】
2010080402.tif 000014
【図１６】
2010080402.tif 000015
【図１７】
2010080402.tif 000016
【図１８】
2010080402.tif 000017
【図１３】
2010080402.tif 000018
【図１４】
2010080402.tif 000019
【図１５】
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