(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に一対の電極と前記一対の電極間に設けられた導電性薄膜とを有する被処理基板を保持する保持容器と、
前記被処理基板の一対の電極間に電圧を印加して前記導電性薄膜に電流を供給する電源と、
前記電源と前記電極との間に設けられ、インダクタンスが２μＨ〜１ｍＨであるインダクタと、
を備えたことを特徴とする電子放出素子の製造装置。
【請求項２】
前記電源はパルス状電圧を発生するものである
ことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子の製造装置。
【請求項３】
前記インダクタは、通電処理における過大電流の発生を抑制するものである
ことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子放出素子の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子放出素子は、画像表示装置等における電子源として注目されている。このような電子放出素子の一つとして、平面型の表面伝導型電子放出素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。表面伝導型電子放出素子は、一対の電極間に電子放出部を有する導電性薄膜を設けたものであり、一対の電極間に電圧を印加することで電子放出部から対向電極（アノード）に向けて電子が放出される。
【０００３】
表面伝導型電子放出素子の製造に際しては、フォーミング処理及び活性化処理といった電子放出部における電子放出特性を調整する（適正化する）ための通電処理が一般に行われる。この処理は、真空容器内に被処理基板を保持し、一対の電極間に電圧を印加して導電性薄膜に電流を流すことで行われる。
【０００４】
しかしながら、フォーミング処理や活性化処理の際に過大電流が生じ、電子放出素子が損傷してしまう場合がある。例えば、放電などでは１００ｎｓ程度の短い時間に１０〜１００Ａ程度の過大電流が発生する場合があり、電子放出素子が破壊されるおそれがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２９８０３０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、表面伝導型電子放出素子の製造においては、フォーミング処理や活性化処理といった通電処理の際に過大電流が生じ、電子放出素子が損傷してしまうといった問題があった。
【０００７】
本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、通電処理時における過大電流の発生を抑制でき、特性や信頼性に優れた電子放出素子を作製することが可能な製造装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る電子放出素子の製造装置は、表面に一対の電極と前記一対の電極間に設けられた導電性薄膜とを有する被処理基板を保持する保持容器と、前記被処理基板の一対の電極間に電圧を印加して前記導電性薄膜に電流を供給する電源と、前記電源と前記電極との間に設けられたインダクタと、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、インダクタンスによって、急激な電流変化を抑制することができる。したがって、フォーミング処理や活性化処理等の通電処理時における過大電流の発生が防止される。その結果、電子放出素子の損傷等を防止することができるとともに、フォーミング処理や活性化処理等の安定性も向上する。特に、電源電圧がパルス状電圧である場合には、電圧の立ち上がり及び立ち下がりが急峻であるため、急激な電流変化の抑制に効果的である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、平面型の表面伝導型電子放出素子の構成例を模式的に示した図であり、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂに沿った断面図である。
【００１２】
図１（ａ）及び図１（ｂ）において、１１は基板、１２は基板上に設けられた互いに対向する一対の素子電極、１３は一対の素子電極１２間に設けられた導電性薄膜、１３ａは導電性薄膜１３の一部で構成された電子放出部を示している。
【００１３】
基板１１には、石英ガラス、Ｎａ等の不純物の含有量が低減されたガラス、青板ガラス、青板ガラス上にスパッタリング法等によりＳｉＯ2 膜を形成したガラス基板、アルミナ等のセラミック基板、或いはシリコン基板等を用いることができる。
【００１４】
素子電極１２には、一般的な導電体材料を用いることができる。例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ等の金属或いはこれらの合金、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、ＲｕＯ2 、Ｐｄ−Ａｇ等の金属、金属酸化物とガラス等から構成される印刷導電体、Ｉｎ2 Ｏ3 −ＳｎＯ2 等の透明導電体、或いはポリシリコン等の半導体導電材料等を用いることができる。
【００１５】
素子電極１２間の間隔は、好ましくは数百ｎｍから数百μｍの範囲、より好ましくは素子電極間に印加する電圧等を考慮して数μｍから数十μｍの範囲とする。素子電極１２の長さは、電極の抵抗値や電子放出特性等を考慮して、数μｍから数百μｍの範囲とすることが好ましい。素子電極１２の膜厚は、数十ｎｍから数μｍの範囲とすることが好ましい。
【００１６】
導電性薄膜１３には、微粒子で形成された微粒子膜が用いられる。この微粒子膜は、複数の微粒子が集合した膜であり、その微視的な構造は、微粒子が個々に分散配置した状態、微粒子が互いに隣接或いは重なり合った状態（いくつかの微粒子が集合して全体として島状構造を形成している場合も含む）等である。微粒子の粒径は、好ましくは０．１ｎｍの数倍から数百ｎｍの範囲、より好ましくは１ｎｍから２０ｎｍの範囲である。
【００１７】
導電性薄膜１３の膜厚は、抵抗値並びに後述するフォーミング処理及び活性化処理の条件等によって適宜設定されるが、好ましくは０．１ｎｍの数倍から数百ｎｍの範囲、より好ましくは１ｎｍから５０ｎｍの範囲とする。導電性薄膜１３のシート抵抗Ｒｓは、１０2 から１０7 Ω／□の範囲が好ましい。
【００１８】
導電性薄膜１３の材料には、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｂ等の金属、ＰｄＯ、ＳｎＯ2 、Ｉｎ2 Ｏ3 、ＰｂＯ、Ｓｂ2 Ｏ3 等の酸化物、ＨｆＢ2 、ＺｒＢ2 、ＬａＢ6 、ＣｅＢ6 、ＹＢ4 、ＧｄＢ4 等の硼化物、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＴａＣ、ＳｉＣ、ＷＣ等の炭化物、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ等の窒化物、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体、カーボン等が用いられる。
【００１９】
導電性薄膜１３に形成される電子放出部１３ａは、素子電極及び導電性薄膜を形成した後、後述する装置を用いて、フォーミング処理及び活性化処理といった電子放出特性を調整する（適正化する）ための通電処理を行うことで得られる。フォーミング処理は、導電性薄膜に亀裂などの変形や変質を生じさせて、高抵抗状態を形成するための処理である。ただし、フォーミング処理による亀裂などによって導電性薄膜が極めて高抵抗状態になることがあるため、適正な電流値が得られるように、通常はフォーミング処理の後に活性化処理等を行う。
【００２０】
電子放出部１３ａの特性は、導電性薄膜１３の膜厚、膜質及び材料やフォーミング条件等に依存したものとなる。電子放出部１３ａの内部には、０．１ｎｍの数倍から数十ｎｍの範囲で粒径の分布した導電性微粒子が存在する場合もある。この導電性微粒子は、導電性薄膜１３を構成する元素の一部或いは全部を含有するものである。電子放出部１３ａ及びその近傍の導電性薄膜１３は、炭素及び炭素化合物を有していてもよい。
【００２１】
なお、図１に示した構成は、電子放出素子の一例であり、例えば導電性薄膜１３の端部が素子電極１２上に位置するような構成であってもよい。
【００２２】
次に、図１に示したような表面伝導型電子放出素子の製造方法を、図２（ａ）〜図２（ｄ）を参照して説明する。
【００２３】
まず、図２（ａ）に示すように、基板１１を洗剤、純水及び有機溶剤等を用いて十分に洗浄する。次に、図２（ｂ）に示すように、真空蒸着法、スパッタリング法等によって素子電極材料を堆積後、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、基板１１上に素子電極１２を形成する。
【００２４】
次に、図２（ｃ）に示すように、素子電極１２が形成された基板１１上に、有機金属溶液を塗布して、有機金属薄膜を形成する。有機金属溶液には、導電性薄膜を構成する金属材料を主元素とする有機金属化合物の溶液を用いることができる。塗布された有機金属薄膜を加熱焼成処理した後、リフトオフやエッチング等によってパターニングを行い、導電性薄膜１３を形成する。なお、ここでは有機金属溶液の塗布法を例に説明したが、導電性薄膜１３の形成方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、化学的気相堆積法、分散塗布法、ディッピング法、スピンナー法等を用いることもできる。
【００２５】
次に、図２（ｄ）に示すように、後述する装置を用いて、フォーミング処理及び活性化処理等を行う。具体的には、まず、素子電極１２及び導電性薄膜１３が形成された基板１１（被処理基板）を真空容器内に保持し、素子電極１２間に電圧を印加して導電性薄膜に電流を流し、フォーミング処理を行う。これにより、導電性薄膜１２に、構造の変化した電子放出部１３ａが形成される。続いて、真空中における加熱処理、還元ガス雰囲気での還元処理を行う。さらに、真空容器内において、素子電極１２間に電圧を印加して導電性薄膜１３に電流を流し、活性化処理を行うことが好ましい。なお、これらのフォーミング処理及び活性化処理等については、後で詳細に説明する。
【００２６】
図３は、上述したフォーミング処理及び活性化処理を行う装置の一例を模式的に示した図である。
【００２７】
１０１は真空容器（保持容器）、１０２は排気ポンプであり、真空容器１０１内には電子放出素子（被処理基板）１０が保持されるようになっている。排気ポンプ１０２は、ターボポンプ及びロータリーポンプからなる通常の高真空装置系と、イオンポンプ等からなる超高真空装置系とにより構成されている。
【００２８】
１０３は電子放出素子１０の素子電極１２に素子電圧Ｖｆを印加するための電源、１０４は素子電極１２間の導電性薄膜１３に流れる素子電流Ｉｆを測定するための電流計、１０５は電子放出部１３ａより放出される電子を捕捉するためのアノード電極である。１０６はアノード電極１０５に電圧を印加するための高圧電源、１０７は電子放出部１３ａより放出される電子の放出電流Ｉｅを測定するための電流計である。フォーミング処理及び活性化処理においては、例えばアノード電極１０５の電圧は、−０．１ｋＶ〜０ｋＶの範囲に設定される。
【００２９】
真空容器１０１内には、真空計等の真空雰囲気下での測定に必要な機器（図示せず）が設けられており、所望の真空雰囲気下において測定評価を行うことができるようになっている。また、真空容器１０１内の雰囲気を制御するために、ガス導入系１０８を備えている。また、真空処理容器１０１は、ヒーター（図示せず）により２００℃程度まで加熱することができ、フォーミング処理以降の工程も行うことができる。
【００３０】
また、本装置には、フォーミング処理や活性化処理等の通電処理時における過大電流を抑えるため、インダクタ１０９が電源１０３に直列に接続されている。すなわち、電源１０３から導電性薄膜１３に供給される電流の電流経路内にインダクタ１０９が設けられている。インダクタ１０９を設けることで、急激な電流変化を抑制することができるため、瞬間的な過大電流の発生が防止され、電子放出素子の損傷等を防止することができる。
【００３１】
フォーミング処理や活性化処理等の通電処理時には、電源１０３からパルス状電圧が発生され、素子電極１２間に印加される。このとき、インダクタ１０９に流れる過渡電流Ｉは、
Ｉ=Ｉ0（１−exp(−Ｒt/Ｌ)）
と表される。ここで、Ｌはインダクタ１０９のインダクタンス値、Ｉ0は飽和電流値、Ｒは電流経路における等価抵抗値、ｔは時間である。図４は、上式を模式的に表したものである。電流Ｉは時間ｔとともに増加し、電流Ｉ0で飽和する傾向を示す。
【００３２】
インダクタンスＬの値は、駆動パルスの電圧、電流、パルス幅及び過大電流値などを考慮して決められる。例えば、パルス電圧を１４Ｖ、パルス幅を１ｍs、１素子（１電子源）当たりの電流を２ｍＡ、素子数を３００個とし、立ち上がり時間をパルス幅の１０％程度とすると、最大インダクタンスを求めることができる。これから、最大インダクタンスはおよそ１ｍＨと算出される。また、瞬間的に１００Ａの過大電流が流れるとし、印加開始から１００ｎｓ後の電流を前記過大電流の１／１００、すなわち１Ａに抑えるためには、インダクタンスＬはおよそ２μＨと算出される。これが最小インダクタンスとなる。実際には、インダクタンスＬは必要に応じて、上記最小インダクタンスと最大インダクタンスとの間の値をとるのが望ましい。
【００３３】
なお、電子放出素子の損傷や破壊をさらに抑えるために、ダイオードやキャパシタ等を必要に応じて併用するようにしてもよい。ダイオードやキャパシタは、例えばインダクタ１０９に並列に接続すればよい。
【００３４】
以下、図３に示した装置を用いたフォーミング処理等（図２（ｄ）の処理に対応）について、詳細に説明する。
【００３５】
まず、被処理基板１０を真空容器１０１内に保持し、被処理基板１０を高真空下で約１５０℃に加熱した後、徐冷する。その後、真空容器１０１内において高真空下でフォーミング処理を行う。すなわち、素子電極１２間に電源１０３から電圧を印加し、導電性薄膜１３に亀裂などの変形や変質を生じさせて電子放出部１３ａを形成する。
【００３６】
図５は、フォーミング処理時に、電源１０３から供給されるパルス電圧の印加方法の一例を示したものである。Ｔ１及びＴ２はそれぞれパルス電圧のパルス幅と間隔であり、例えばＴ１を１マイクロ秒〜１０ミリ秒程度、Ｔ２を１０マイクロ秒〜１００ミリ秒程度とする。パルス電圧波形は、方形波又は三角波とすることが望ましい。供給電圧は、その波高値（ピーク電圧値）が例えば０．１Ｖステップ程度づつ増加するように制御され、素子電極１２間に印加される。
【００３７】
フォーミング処理の終了は、以下のようにして判断する。パルスを発生させない期間中に、導電性薄膜１３を局所的に破壊、変形させない程度の電圧（例えば０．１Ｖ程度）を導電性薄膜１３に印加して、素子電流Ｉｆを測定し、そのときの抵抗値を求める。そして、抵抗値が例えば１ＭΩ以上となった時に、通電を止めてフォーミング処理を終了する。
【００３８】
フォーミング処理を行った後、真空容器１０１内において活性化処理を行うことが好ましい。活性化処理は、例えば有機物質のガスを含有する雰囲気下で、フォーミング処理と同様に、パルス電圧の印加を繰り返すことで行う。このときの好ましい有機物質ガスの圧力は、真空容器の形状、有機物質の種類、さらには電子放出素子の用途などに応じて適宜設定される。この活性化処理により、雰囲気中に存在する有機物質からの炭素や炭素化合物が被処理基板１０上に堆積し、素子電流Ｉｆ及び放出電流Ｉｅが著しく増加する。活性化工程の終了判断は、素子電流Ｉｆと放出電流Ｉｅを測定しながら、適宜行う。なお、パルス幅、パルス間隔、パルスピーク値などは、フォーミング処理と同じように設定される。
【００３９】
図６は、インダクタ１０９を設けた場合の効果を説明するための図である。図６（ａ）は、電源１０３から発生するパルス電圧の波形を示した図、図６（ｂ）は本実施形態の場合（インダクタ１０９を設けた場合）の電流波形を示した図、図６（ｃ）は比較例の場合（インダクタ１０９を設けない場合）の電流波形を示した図である。
【００４０】
図６からわかるように、比較例の場合（図６（ｃ））には、パルスの立ち上がり及び立ち下がり時にオーバーハングが発生するが、本実施形態の場合（図６（ｂ））には、インダクタンスを接続することによってオーバーハングが無くなり、フォーミング処理及び活性化処理が安定に再現できるようになった。また、オーバーハングなどに起因する放電、及びそれに起因する素子不良も大幅に減少した。
【００４１】
このように、本実施形態によれば、電源に直列にインダクタを接続することにより、急激な電流変化を抑制することができるため、フォーミング処理や活性化処理といった通電処理時における過大電流の発生が防止され、フォーミング処理や活性化処理の安定性が向上するとともに、電子放出素子の損傷等を防止することができる。
【００４２】
図７は、上述したような電子放出素子をＸＹ方向にマトリクス状に配置した画像表示パネルに対して、図３に示したような処理装置を用いてフォーミング処理や活性化処理といった通電処理を行う場合の一例を示したものである。
【００４３】
図７において、２０１は画像表示パネル、２０２は走査線制御回路、２０３は信号線制御回路、２０４は制御回路である。パルス電圧を発生する電源１０３は、走査線制御回路２０２及び画像表示パネル２０１内の走査線を介して画像表示パネル２０１内の電子放出素子の一方の素子電極に接続され、電子放出素子の他方の素子電極は、画像表示パネル２０１内の信号線及び信号線制御回路２０３を介してインダクタ１０９に接続されている。したがって、本例においても図３に示した例と同様、インダクタ１０９が電源１０３に直列に接続され、電源１０３から電子放出素子の導電性薄膜に供給される電流の電流経路内にインダクタ１０９が設けられていることになる。
【００４４】
本例では、画像表示パネル２０１を真空容器１０１内に保持して、フォーミング処理や活性化処理等の通電処理を行う。通電処理は、走査線或いは信号線１本毎に行うことが効率的である。例えば、走査線制御回路２０２内のスイッチング素子を順次切り替えることで走査線を順次選択し、選択された走査線に接続された電子放出素子に電源１０３から電流を供給することで、走査線１本毎に通電処理を行うことができる。
【００４５】
このように、電子放出素子を有する画像表示パネルに対しても、図３に示したようなインダクタを有する処理装置を用いて通電処理を行うことで、通電処理時における過大電流の発生を防止することができる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、通電処理時における過大電流の発生を抑制でき、特性や信頼性に優れた電子放出素子を作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係り、電子放出素子の構成例を模式的に示した図である。
【図２】図１に示した電子放出素子の製造工程例を模式的に示した図である。
【図３】本発明の実施形態に係り、電子放出素子の製造装置の構成例を模式的に示した図である。
【図４】電子放出素子に供給される電流の特性の一例を示した図である。
【図５】電子放出素子に供給する電圧の印加方法の一例を示した図である。
【図６】本発明の実施形態における効果を説明するための図である。
【図７】本発明の実施形態に係る製造装置を画像表示パネルの製造に適用した場合について示した図である。
【符号の説明】
１０…電子放出素子
１１…基板
１２…素子電極
１３…導電性薄膜
１３ａ…電子放出部
１０１…真空容器
１０２…排気ポンプ
１０３…電源
１０４、１０７…電流計
１０５…アノード電極
１０６…高圧電源
１０８…ガス導入系
１０９…インダクタ
２０１…画像表示パネル
２０２…走査線制御回路
２０３…信号線制御回路
２０４…制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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