(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極、絶縁層、上部電極を積層した構造を有し、上記下部電極と上記上部電極の間に、上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、上部電極の表面から真空中に電子を放出する薄膜型電子源において、上記下部電極がAlに陽極酸化可能な元素を0.1%〜10%添加したAl合金からなり、上記絶縁層がAlに陽極酸化可能な元素を0.1%〜10%添加したAl合金からなる上記下部電極表面を陽極酸化して形成した酸化膜からなることを特徴とする薄膜型電子源。
【請求項２】
上記Al合金の陽極酸化可能な元素組成が、Ta、Nb、Hf、Ti、Zrから選ばれる元素からなる請求項１に記載の薄膜型電子源。
【請求項３】
下部電極、絶縁層、上部電極を積層した構造を有し、上記下部電極と上記上部電極の間に、上記上部電極が正電圧になる極性の電圧を印加した際に、上記上部電極の表面から真空中に電子を放出する薄膜型電子源において、上記下部電極がAlに陽極酸化可能な元素を0.1%〜10%添加したAl合金を下層とし、Al 合金の１／７５と薄いAlを上層とする積層膜からなり、上記絶縁層が上記下部電極表面を陽極酸化して形成した酸化膜からなることを特徴とする薄膜型電子源。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載の上記薄膜型電子源をマトリクス状に形成した基板と、蛍光体を塗布した面板を張り合わせ真空に封じた表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属−絶縁体−金属の３層構造を有し、真空中に電子を放出する薄膜型電子源、およびこれを用いた表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜型電子源とは、上部電極，絶縁層，下部電極の３層薄膜構造の上部電極と下部電極の間に電圧を印加して、上部電極の表面から真空中に電子を放出させるものである。この薄膜型電子源については、例えば、特願平５−２１３７４４  号明細書に述べられている。
【０００３】
図２に薄膜型電子源の動作原理を示した。上部電極１３と下部電極１１との間に駆動電圧３０を印加して、絶縁層１２内の電界を１〜１０ＭＶ／ｃｍ以上にすると、下部電極１１中のフェルミ準位近傍の電子はトンネル現象により障壁を透過し、絶縁層１２，上部電極１３の伝導帯へ注入されホットエレクトロンとなる。これらのホットエレクトロンのうち、上部電極１３の仕事関数φ以上のエネルギーを有するものは、真空１６中に放出される。
【０００４】
この薄膜電子源は複数本の上部電極と、複数本の下部電極を直交させてマトリクスを形成すると、任意の場所から電子線を発生させることができるので、表示装置の電子源に用いたり、電子源描画装置の電子源に適用することができる。
【０００５】
これまで、Ａｕ−Ａｌ２Ｏ３−Ａｌ構造のＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造などから電子放出が観測されている。この例にも見られるように、薄膜電子源の下部電極としてはＡｌが用いられることが多かった。その理由は、まずＡｌが低抵抗で基板接着性に優れた良質の配線材料であるためである。さらに、絶縁層として下部電極表面の陽極酸化膜を用いる場合、Ａｌの陽極酸化膜は、他の金属の陽極酸化膜に比べて絶縁性に優れるので、薄膜電子源に適するためである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
下部電極１１にＡｌを用いる場合、そのＡｌ膜の信頼性が低いことが課題である。Ａｌ膜の電極は、高密度の電流を流すとエレクトロマイグレーションにより、ヒロックやウィスカー，ボイド等を生じ易い。ＭＩＭ電子源等の薄膜電子源では絶縁層１２として、３〜１０ｎｍ程度の極薄絶縁層を用いており、ヒロック等の発生は絶縁層１２にとって致命的な問題である。
【０００７】
また、薄膜電子源を用いた表示装置を作成する場合、ガラス基板と面板を封じるために４００℃程度の加熱に耐える必要がある。しかし、Ａｌ膜をこのような温度に加熱するとストレスマイグレーション等により、やはりＡｌ膜にヒロックやボイド等が発生する。
【０００８】
このように、薄膜電子源では、下部電極１１にＡｌを用いるのは課題が多い。
【０００９】
本発明の目的は、高電流密度動作や加熱処理に対する薄膜電子源の下部電極  １１の信頼性を確保することにある。特に、表示装置に適用する場合は、その製造歩留りの向上や、高電流密度動作による高輝度表示を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、下部電極１１の材料として、Ａｌ合金、あるいはＡｌ合金とＡｌの積層膜を用いることにより実現される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の実施の形態を図１，図３ないし図５を用いて説明する。本発明に適用できるＡｌ合金は多種あるが、ここではＮｂを添加したＡｌ−Ｎｂ合金を用いた。添加する合金材料としてはこの他、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，  Ｎｄ，Ｐｄなども適用可能である。またこれらの材料を複数種類添加したＡｌ合金も有効である。添加量は０．１％  〜１０％程度が可能であるが、ここでは２％とした。
【００１２】
まず、絶縁性の基板１０上にＡｌ−Ｎｂ合金膜を形成する。成膜には例えば、スパッタリング法を用いる。膜厚は下部電極１１に求められる配線抵抗の要求仕様に合わせ、任意に設定可能である。ここではＡｌ−Ｎｂ合金膜の膜厚を３００ｎｍとした。成膜後はエッチングにより、薄膜電子源の下部電極１１の形状に加工する（図３）。
【００１３】
次にこの下部電極１１の表面を陽極酸化する。化成電圧を４Ｖとすれば、約  ５．５ｎｍの絶縁層１２が形成される（図４）。
【００１４】
次に、レジスト膜などをマスクに用い下部電極１１の側面のみを選択的に厚く陽極酸化する。これにより電子放出に寄与しない側面からのリーク電流を低減できる（図５）。
【００１５】
最後に、スパッタリング法などにより上部電極１３を形成する。ここでは上部電極１３は高効率で安定な電子放出が可能なＩｒ，Ｐｔ，Ａｕの３層膜とし、それぞれ膜厚を１ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍとした（図１）。
【００１６】
Ａｌ−Ｎｂ合金膜はエレクトロマイグレーション，ストレスマイグレーション耐性が高く、高電流密度駆動や熱処理を行ってもヒロックを生じにくい。そのため、下部電極１１の信頼性が向上する。
【００１７】
一方、Ａｌ−Ｎｂ合金の表面を陽極酸化して形成する絶縁層１２中には、合金材料のＮｂが含まれることになるが、その添加量は少なく絶縁特性の劣化は小さい。特に本実施例で用いたＮｂや、Ｔａ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｚｒなどは陽極酸化によりＡｌと同時に酸化され、絶縁体となるので絶縁特性の劣化はさらに小さい。そのため、リーク電流が少なく、下部電極１１にＡｌを用いた場合同様の高効率の電子放出を実現することができる。
【００１８】
（実施例２）
本発明の第二実施例を図３，図６ないし図８を用いて説明する。
【００１９】
まず絶縁性の基板１０上に例えばＡｌ−Ｎｂ合金膜を形成する。成膜には例えば、スパッタリング法を用いる。膜厚は下部電極１１に求められる配線抵抗の要求使用に合わせ、任意に設定可能である。ここではＡｌ−Ｎｂ合金膜の膜厚を  ３００ｎｍとした。成膜後はエッチングにより、薄膜電子源の下部電極１１の形状に加工する（図３）。
【００２０】
次にこの下部電極１１上にスパッタリング法などにより絶縁層１２を積層する（図６）。
【００２１】
次に、レジスト膜などをマスクに用い下部電極１１の側面を被覆するように厚い保護絶縁層１４を形成する。これにより電子放出に寄与しない側面からのリーク電流を低減できる（図７）。
【００２２】
最後に、スパッタリング法などにより上部電極１３を形成する。ここでは上部電極１３は高効率で安定な電子放出が可能なＩｒ，Ｐｔ，Ａｕの３層膜とし、それぞれ膜厚を１ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍとした（図８）。
【００２３】
本実施例においてもＡｌ−Ｎｂ合金膜はエレクトロマイグレーション，ストレスマイグレーション耐性が高く、高電流密度駆動や熱処理を行ってもヒロックを生じにくい。そのため、下部電極１１の信頼性が向上する。
【００２４】
なお本実施例では絶縁層１２の形成にスパッタリング法を用いたが、これは例えばＣＶＤ法，蒸着法、あるいはＬＢ（ラングミュアブロジェット）膜の積層など他の方法で形成してもよい。
【００２５】
（実施例３）
本発明の第三実施例を図９ないし図１２を用いて説明する。まず絶縁性の基板１０上にＡｌ−Ｎｂ合金膜２１とＡｌ膜２２の積層膜を形成する。成膜には例えばスパッタリング法を用い、真空を破らず連続的に成膜する。ここではＡｌ−  Ｎｂ膜２１の膜厚を３００ｎｍ，Ａｌ膜２２の膜厚は４ｎｍとした。成膜後はエッチングにより、薄膜電子源の下部電極１１の形状に加工する（図９）。
【００２６】
次にこの下部電極１１の表面を陽極酸化する。上面ではＡｌ膜２２が、側面ではＡｌ−Ｎｂ膜２１とＡｌ膜２２の側面が陽極酸化される。化成電圧を４．４Ｖとすれば、上面のＡｌ膜２２が４ｎｍ酸化されたところで陽極酸化が止まり、その下のＡｌ−Ｎｂ膜２１は酸化されない。Ａｌ２Ｏ３膜２３の膜厚は約６ｎｍである。側面ではＡｌ２Ｏ３−Ｎｂ２Ｏ５膜２４が形成される（図１０）。
【００２７】
次に、レジスト膜などをマスクに用い下部電極１１の側面のみを選択的に厚く陽極酸化する。これにより電子放出に寄与しない側面からのリーク電流を低減できる（図１１）。
【００２８】
最後に、スパッタリング法などにより上部電極１３を形成する。ここでは上部電極１３はＩｒ，Ｐｔ，Ａｕの３層膜とし、それぞれ膜厚を１ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍとした（図１２）。
【００２９】
この実施例では薄膜電子源の絶縁層として約６ｎｍのＡｌ２Ｏ３膜２３，下部電極として３００ｎｍのＡｌ−Ｎｂ合金膜２１が形成される。Ａｌ−Ｎｂ合金膜はエレクトロマイグレーション，ストレスマイグレーション耐性が高く、下部電極からのヒロック形成を防止できる。さらに絶縁層は純粋のＡｌ２Ｏ３膜２３であるため、絶縁性が高い。したがって薄膜型電子源の信頼性がさらに向上する。
【００３０】
なお、本実施例ではＡｌ−Ｎｂ合金膜２１上のＡｌ膜２２をすべて酸化したが、Ａｌ−Ｎｂ合金膜２１上のＡｌ膜はエレクトロマイグレーション，ストレスマイグレーション耐性が高くなるため、その一部だけを酸化し、Ａｌ膜２２を下部電極の一部として残してもよい。また逆にＡｌ膜２２に加えてその下のＡｌ−  Ｎｂ合金膜２１の一部を酸化してもよい。
【００３１】
（実施例４）
本発明を用いた表示装置の実施例を図１３ないし図１６を用いて説明する。ガラスなど絶縁性の基板１０上に，スパッタリング法などによりＡｌ−Ｎｂ合金とＡｌの積層膜からなる下部電極１１を形成する。膜厚はＡｌ−Ｎｂ合金が３００ｎｍ，Ａｌが１０ｎｍとした。この膜をフォトリソグラフィーとエッチングにより，ストライプにパターン化する。続いて，陽極酸化により絶縁層１２を形成する。ここでは絶縁層１２の膜厚は６ｎｍとした。つづいて保護絶縁層１４を形成する。これは下部電極側面だけを選択的に厚く陽極酸化することにより形成した。ここではその膜厚を６０ｎｍとした。
【００３２】
次にスパッタリング法などにより上部電極１３を下部電極１１とは直交する方向にストライプに形成する。上部電極１３はＩｒ，Ｐｔ，Ａｕの３層膜とし、それぞれ膜厚を１ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍとした。最後に上部電極１３への給電線としてＭｏとＡｕの積層膜からなる上部電極バスライン１５を形成した。以上で薄膜型電子源マトリクスが完成する。
【００３３】
一方、表示部となる面板１００にはガラスなど透光性のものを用い、表面に透光性の加速電極１０１としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）を面板全面に形成する。加速電極１０１の上に蛍光体１０２を塗布する。蛍光体１０２は、例えばＺｎＯ：Ｚｎを用いる。このようにして加速電極１０１と蛍光体１０２を形成した面板１００を、薄膜型電子源を形成した基板１０と２００μｍ程度の間隔を保った配置で封着する。封着にはフリットガラスを用い、４００℃で封着した。最後に基板１０と面板１００とで挟まれた空間を真空に排気して、表示装置が完成する。
【００３４】
図１５はこのようにして製作した表示装置の駆動回路への結線図である。下部電極１１は下部電極駆動回路６１へ結線し、上部電極バスライン１５は上部電極駆動回路６２に結線する。ｎ番目の下部電極１１  Ｋｎと、ｍ番目の上部電極バスライン１５  Ｃｍの交点を（ｎ，ｍ）で表すことにする。加速電極１０１には  ４００Ｖ程度の加速電圧６３を常時印加する。
【００３５】
図１６は、各駆動回路の発生電圧の波形を示す。時刻ｔ０ではいずれの電極も電圧ゼロであるので電子は放出されず、したがって、蛍光体１０２は発光しない。時刻ｔ１において、下部電極１１  Ｋ１には−Ｖ１なる電圧を、上部電極バスライン１５  Ｃ１，Ｃ２には＋Ｖ２なる電圧を印加する。交点（１，１），（１，２）の下部電極１１−上部電極１３間には（Ｖ１＋Ｖ２）なる電圧が印加されるので、（Ｖ１＋Ｖ２）を電子放出開始電圧以上に設定しておけば、この２つの交点の薄膜型電子源からは電子が真空中に放出される。放出された電子は加速電極１０１に印加された加速電圧６３により加速された後、蛍光体１０２にぶつかり、蛍光体１０２を発光させる。時刻ｔ２において、下部電極１１のＫ２に−Ｖ１なる電圧を印加し、上部電極バスライン１５  Ｃ１にＶ２なる電圧を印加すると、同様に交点（２，１）が点灯する。このようにして、上部電極バスライン１５に印加する信号を変えることにより所望の画像または情報を表示することができる。また、上部電極バスライン１５への印加電圧Ｖ１の大きさを適宜変えることにより、階調のある画像を表示することができる。
【００３６】
本発明の薄膜型電子源は下部電極１１にＡｌ合金を用いているため、面板１００と基板１０を封じる際の加熱に十分耐え、歩留りよく表示装置を作成できる。またエレクトロマイグレーション耐性も強いため、高電流密度の動作が可能であり、電子放出量も多くとることが可能である。したがって高輝度の表示装置を実現できる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の薄膜型電子源は、下部電極にＡｌ合金を用いており、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性が高い。これにより、安定に高電流密度動作ができ、また加熱処理も可能な薄膜電子源を実現できる。特に表示装置を作成する際、面板と基板を封じる加熱に十分耐え、歩留りを向上できる。さらに高電流密度の動作が可能なため、電子放出量も多くとることができ、高輝度の表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜型電子源の一実施例の断面図。
【図２】薄膜型電子源の動作原理を示す説明図。
【図３】本発明の一実施例を示す第一工程の説明図。
【図４】本発明の一実施例を示す第二工程の説明図。
【図５】本発明の一実施例を示す第三工程の説明図。
【図６】本発明の第二実施例を示す第一工程の説明図。
【図７】本発明の第二実施例を示す第二工程の説明図。
【図８】本発明の第二実施例を示す第三工程の説明図。
【図９】本発明の第三実施例を示す第一工程の説明図。
【図１０】本発明の第三実施例を示す第二工程の説明図。
【図１１】本発明の第三実施例を示す第三工程の説明図。
【図１２】本発明の第三実施例を示す第四工程の説明図。
【図１３】本発明を用いた表示装置の実施例を示した説明図。
【図１４】本発明を用いた表示装置での電極配置を示した説明図。
【図１５】本発明を用いた表示装置での駆動回路への結線を示した説明図。
【図１６】本発明を用いた表示装置での駆動電圧波形を示したタイミングチャート。
【符号の説明】
１０…基板、１１…下部電極、１２…絶縁層、１３…上部電極、１４…保護絶縁層、１５…上部電極バスライン、１６…真空、２１…Ａｌ−Ｎｂ膜、２２…  Ａｌ膜、２３…Ａｌ２Ｏ３膜、２４…Ａｌ２Ｏ３−Ｎｂ２Ｏ５膜、３０…駆動電圧、  ６１…下部電極駆動回路、６２…上部電極駆動回路、６３…加速電圧、１００…面板、１０１…加速電極、１０２…蛍光体。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0003632324.tif 000012
【図１２】
0003632324.tif 000013
【図１３】
0003632324.tif 000014
【図１４】
0003632324.tif 000015
【図１５】
0003632324.tif 000016
【図１６】
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