(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された陰極母線と、前記陰極母線に電気的に接続される炭素系材料からなる電界放出冷陰極とを有する冷陰極装置の作製方法において、前記基板上に前記陰極母線を形成する工程と、グラファイトを主成分材料とし前記陰極母線に電気的に接続される炭素系材料層を形成する工程と、前記グラファイトよりも仕事関数の小さい不純物原子もしくは分子を前記炭素系材料層の板状結晶間に導入し電界放出冷陰極を形成する工程とを備えることを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
【請求項２】
請求項１に記載の冷陰極装置の作製方法において、前記不純物原子もしくは分子として、前記グラファイトよりも仕事関数の小さいアルカリ金属を導入することを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
【請求項３】
請求項２に記載の冷陰極装置の作製方法において、前記アルカリ金属として、Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｂａ，Ｓｒの内の何れかの金属を導入することを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
【請求項４】
請求項１に記載の冷陰極装置の作製方法において、前記不純物原子もしくは分子として、Ｕ，Ｉ２，Ｂｒ２，Ｃｌ２の内の何れかの金属を導入することを特徴とする冷陰極装置の作製方法。
【請求項５】
基板上に形成された陰極母線と、前記陰極母線に電気的に接続される炭素系材料からなる電界放出冷陰極とを有する冷陰極装置において、前記陰極母線に電気的に接続されるように炭素系材料からなる炭素系材料層が形成されると共に、前記炭素系材料層の板状結晶間に不純物原子もしくは分子が導入された領域が形成され、前記不純物の導入領域が電界放出冷陰極を形成することを特徴とする冷陰極装置。
【請求項６】
請求項５に記載の冷陰極装置において、前記電界放出領域が前記炭素系材料層の表面内に複数形成されていることを特徴とする冷陰極装置。
【請求項７】
電界放出冷陰極が複数形成された冷陰極装置と、蛍光体陽極とが対向配置され、前記電界放出冷陰極と前記蛍光体陽極との間に印加する電圧を制御して、画像信号に応じた画像表示を行う表示装置において、前記冷陰極装置は、基板上に形成された陰極母線に電気的に接続されるように炭素系材料からなる炭素系材料層が形成されると共に、前記炭素系材料層の板状結晶間に不純物原子もしくは分子が導入された領域が複数形成され、前記不純物の導入領域が電界放出冷陰極を形成することを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷陰極装置及び冷陰極装置の作製方法に関し、特に、六方晶系に属する板状結晶であるグラファイト（黒鉛）を主成分材料とする炭素系材料を冷陰極（電界放出冷陰極）とする冷陰極装置に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の典型的な冷陰極は、先端が尖鋭なコーン形状をもつ陰極と、それを取り囲むゲート電極との間に電圧を印加して、電界で陰極先端から電子を放出させるスピント型と称される構造が一般的であった。スピント型の冷陰極装置の電子放出効率は、陰極表面に形成される電界集中と、陰極材料の仕事関数φや表面物性などの諸特性とによって大きく左右されていた。
【０００３】
スピント型の冷陰極装置の電界集中は、陰極の尖鋭度、陰極／ゲート電極間距離で決まるので、効率の大幅な改善はリソグラフィーを中心とする微細加工技術の精度の向上およびさらなる微細化技術の進展に依存していた。
【０００４】
こうした微細加工を必要としない冷陰極としては、ＭＩＭ型（Ｍｅｔａｌ／ｌｎｓｕｌａｔｏｒ／Ｍｅｔａｌ）、ＭＩＳ型（Ｍｅｔａｌ／Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ／Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの面放出型があった。面放出型の冷陰極装置では、材料の組み合わせや、電子放出効率の改善が課題となっていた。
【０００５】
一方、冷陰極材料には主としてモリブデン（Ｍｏ）やニッケル（Ｎｉ）などの高融点金属や、シリコンなどの半導体が用いられてきたが、これらの材料では仕事関数φ＝４〜５ｅＶ程度であるので、さらに低仕事関数の材料が求められてきた。これに対して、ダイアモンドやダイアモンド状炭素（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）あるいは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ボロン（ＢＮ）は、負性電子親和力（ＮＥＡ：Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ａｆｆｉｎｉｔｙ）特性をもつとも言われており、その高硬度性能、化学的安定性と合わせて、冷陰極材料として有望であると考えられている。
【０００６】
これらに対して、近年、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバーが良好な電子放出特性を示すと言われている。しかし、これらの材料を用いた冷陰極について、明瞭なＮＥＡ特性あるいは高効率電子放出特性はまだ見い出されておらず、実用化が阻まれている。
【０００７】
電子放出特性改善技術として、材料表面に不純物原子を吸着させる方法が知られている。たとえば、タングステン単結晶表面に、Ｃｓ（セシウム），Ｂａ（バリウム），Ｕ（ウラン），Ｉ２（ヨウ素），Ｂｒ２（臭素），Ｃｌ２（塩素）などを吸着させると仕事関数φを大幅に低減できることがわかっている。これは、吸着種とＷ単結晶基板との間での電子の移動によるものである。しかしながら、この方法では、表面に吸着した不純物が不安定で、ディスプレイや撮像素子のような真空デバイスに用いるのは困難と考えられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、前記従来技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。
冷陰極材料として最もその性能が期待されるダイアモンド結晶は、通常、ＣＨ４（メタン）、Ｃ２Ｈ２（アセチレン）などの水素炭化物や一酸化炭素ＣＯなどを原料として、化学気相法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などで作製される。しかしながら、この方法では、基板をおよそ８００℃以上の高温に保持して、上記原料を分解し、基板上にダイアモンドの結晶成長を行うので、大面積での処理は困難であった。特に、ダイアモンドでは、原子の拡散係数が非常に小さく、一般に成長速度が０．１μｍ／時間のオーダーで小さいという問題があった。
【０００９】
これに対して、ダイアモンド状炭素は、非晶質炭素でありながら、ダイアモンドに類似した特性を示すので、大面積の処理に有利であった。堆積したＤＬＣ膜をそのまま薄膜の冷陰極としても良いが、あらかじめＭｏ（モリブデン）やシリコンなどで尖鋭な先端を有する陰極と、絶縁物を介して、その陰極を取り囲むゲート電極とから成る冷陰極コーンを作製しておき、その陰極の上方から、上記のＣＶＤ法などでＤＬＣ膜（あるいは多結晶ダイアモンド膜）を陰極先端に堆積してその表面をコーティングする方法が試みられている。また、シリコンなどの基板に、あらかじめピラミッド型の凹みを作製しておいて、これにＣＶＤ法でＤＬＣや多結晶ダイアモンドを堆積し、その後に基板を除去する方法も試みられている。しかしながら、このようなコーティング法を用いた場合であっても、上述するように、基板冷陰極を８００℃以上の高温に保持する必要があると共に、表面層は多量の欠陥を含んだ状態か、非晶質層になっているという問題があった。すなわち、冷陰極の特性は表面層の状態に大きく左右されるので、このような表面層の構造は不安定で好ましくないものである。
【００１０】
一方、これらの材料の低温作製法として、グラファイトターゲットに強力なレーザー光を照射して、炭素原子や分子、イオン、クラスターなどを蒸発させ基板に堆積させるレーザーアブレーション法も試みられている。照射するレーザー光にはＡｒＦ（波長：１９３ｎｍ），ＫｒＦ（波長：２５６ｎｍ）などのエキシマレーザーのパルス光が用いられる。しかしながら、この方法で作製できるダイアモンド結晶のサイズは非常に小さく、ＤＬＣになっているとの報告もある。このようなＤＬＣ膜は、ｓｐ２結合とｓｐ３結合とから成っている。ＤＬＣが冷陰極としてまだ十分な性能を発揮していないのは、それら結合の比やその他の材料の構造や性質と電子放出特性との関係がまだはっきりわかっていないことによるものである。最近の研究では、ＤＬＣの電子放出特性にｓｐ２結合が重要な役割を担っていることが明らかになった。従って、このｓｐ２結合相（領域）の制御技術が求められるが、ダイアモンドやＤＬＣともに、低温で高効率な電子放出効率を実現する方法はまだ見い出されていない。しかしながら、これら炭素系材料は電子放出環境に対して安定であり、安定動作のために高真空度を必要としないメリットがあるので、炭素系材料の冷陰極を低温で形成可能であると共に、高効率の電子放出効率を達成することが可能な技術の開発が要望されている。
【００１１】
また、Ｃｓ，Ｂａ，Ｕ，Ｉ２，Ｂｒ２，Ｃｌ２などを金属冷陰極表面に堆積して電子放出特性を改善する方法においても、前述のように、不安定でデバイス化が困難であるばかりでなく、仕事関数φの低減効果の最大をもたらす最適濃度があり、それ以上に金属冷陰極表面層にこれら元素を堆積しても効果の向上は望めず、仕事関数低減効果に限界がある。
【００１２】
本発明の目的は、電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、その電子放出効率を改善することが可能な冷陰極装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００１４】
（１）基板上に形成された陰極母線と、前記陰極母線に電気的に接続される炭素系材料からなる電界放出冷陰極とを有する冷陰極装置の作製方法において、前記基板上に前記陰極母線を形成する工程と、前記グラファイトを主成分材料とし前記陰極母線に電気的に接続される炭素系材料層を形成する工程と、前記グラファイトよりも仕事関数の小さい不純物原子もしくは分子を前記炭素系材料層の板状結晶間に導入し電界放出冷陰極を形成する工程とを備える。
【００１５】
（２）基板上に形成された陰極母線と、前記陰極母線に電気的に接続される炭素系材料からなる電界放出冷陰極とを有する冷陰極装置において、前記陰極母線に電気的に接続されるように炭素系材料からなる炭素系材料層が形成されると共に、前記炭素系材料層の板状結晶間に不純物原子もしくは分子が導入された領域が形成され、前記不純物の導入領域が電界放出冷陰極を形成する。
【００１６】
（３）電界放出冷陰極が複数形成された冷陰極装置と、蛍光体陽極とが対向配置され、前記電界放出冷陰極と前記蛍光体陽極との間に印加する電圧を制御して、画像信号に応じた画像表示を行う表示装置において、前記冷陰極装置は、基板上に形成された陰極母線に電気的に接続されるように炭素系材料からなる炭素系材料層が形成されると共に、前記炭素系材料層の板状結晶間に不純物原子もしくは分子が導入された領域が複数形成され、前記不純物の導入領域が電界放出冷陰極を形成する。
【００１７】
前述した（１）の手段によれば、基板上に陰極母線を形成する工程と、グラファイトを主成分材料とし陰極母線に電気的に接続される炭素系材料層を形成する工程と、グラファイトよりも仕事関数の小さい不純物原子もしくは分子を炭素系材料層の板状結晶間に導入し電界放出冷陰極を形成する工程とによって、下記の原理の項に示すように、炭素系材料層を形成するグラファイトの仕事関数（〜５ｅＶ程度）を、このグラファイトの仕事関数よりも小さい不純物原子もしくは分子の仕事関数に近づけることができるので、炭素系材料層を電界放出冷陰極として用いることが可能となる。
【００１８】
このとき、不純物原子もしくは分子をグラファイトに導入（インターカレーション）する構成となっているので、電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、高効率で選択的な電子放出特性を得ることができる。
【００１９】
（原理）
本発明による冷陰極装置の構造を図１に従って説明する。ただし、図１において、１０１は炭素原子、１０２はインターカレーション原子、１０３は放出電子を示す。
【００２０】
図１に示すように、本発明の冷陰極装置の冷陰極は、同一平面内で環状に結合した炭素原子１０１が連なってつくる層状構造の結晶（以下、「グラファイト層状結晶」と記す）を形成し、それぞれの炭素原子１０１の間に、不純物となる原子や分子が導入（インターカレーション）される構成となっている。すなわち、本願発明の冷陰極装置の冷陰極は、グラファイト層状結晶の層間に仕事関数の小さい不純物原子や分子を導入（インターカレーション）することにより、電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、高効率で選択的な電子放出特性を得る構造となっている。
【００２１】
一般的に、グラファイトの仕事関数は〜５ｅＶ程度であるので、冷陰極材料としては、用いられていない。一方、炭素がＣｓ，Ｂａなどと化合物を形成すると、その化合物はむしろＣｓ，Ｂａの仕事関数に近い仕事関数を示す。従って、これらのアルカリ金属を表面に吸着させるのではなく、本願発明では、複数個の炭素原子１０１が形成するグラファイト層状結晶の層間に、インターカレーション原子１０２として不純物原子あるいは分子を導入することにより、グラファイト層状結晶から放出電子１０３を電子放出させる際の炭素表面の化学的安定性と、インターカレーションによる仕事関数低減とを両立させた冷陰極を形成するものである。
【００２２】
すなわち、図１に示す左右方向に隣接する炭素原子１０１の間隔に比較して非常に大きい間隔（周期間隔）を有する炭素原子１０１の上下方向の積み重なりを有するグラファイトの層構造に、異なる原子（分子層でもよい）として低抵抗化をもたらすＣｓあるいはＢａを挿入することによって、インターカレーションを電子放出の高効率化、面内の選択的電子放出領域形成に応用し、放出電子１０３を電子放出させる際の炭素表面の化学的安定性と、インターカレーションによる仕事関数低減とを両立させた冷陰極を形成するものである。ただし、インターカレーションの次数は、炭素原子１０１からなる炭素原子層何枚毎に１枚のインターカレーション層１０２が形成されているかという、いわば炭素原子層とインターカレーション層との層数比であり、この次数の制御により抵抗等の特性を制御できることが知られている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、発明の実施の形態（実施例）とともに図面を参照して詳細に説明する。
なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２４】
（実施の形態１）
図２は本発明による実施の形態１の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図であり、以下、図２に基づいて、実施の形態１の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明する。ただし、図２の（ａ）〜（ｃ）は実施の形態１の冷陰極装置の断面図を示すものである。
【００２５】
まず、図２の（ａ）に示すように、基板となるガラス基板２０１に例えば陰極母線２０２となる感光性ペーストを堆積した後に、リソグラフィー法などにより列方向（図２の紙面鉛直方向）のラインに加工する。この陰極母線２０２は、図２（ａ）に示すように、ガラス基板２０１の上面に形成され、５本の陰極母線２０２がそれぞれ独立されている。
【００２６】
次に、周知のリフロー技術によって数ミクロン以下の厚さのフォト埋め込み用ガラスペーストとしてＰＳＧ（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）等を堆積し、このフォト埋め込み用ガラスペーストの層を形成する。この後に、図２の（ａ）に示すように、前述までの工程によって作製した基板に対して、リソグラフィー法などにより、セル領域２１０を上面側から陰極母線２０２及びガラス基板２０１が露出する深さまで形成する。このようにして、まず、ガラス基板２０１の上面側に障壁２０３で分離されたセル構造を形成する。なお、ガラス基板２０１の上面側に陰極母線２０２とセル構造とを形成する工程は従来と同様である。
【００２７】
この後に、陰極母線２０２とセル構造とを形成したガラス基板２０１に対して、低温でＣＨ４などの炭化水素系やＣＯなどを原料として、化学気相法（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａＩ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などにより、ダイアモンド状炭素２０５（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）を堆積し、ＤＬＣ層２０４を形成する。
【００２８】
次に、図２の（ｂ）に示すように、堆積されたＤＬＣ層２０４の上面側からレーザービーム２０６を走査して照射することにより、ＤＬＣ層２０４をアニールしてＤＬＣのグラファイト化を行い、炭素系材料層であるグラファイト層２０７を形成する。ただし、上記原料を用いて化学気相法によって作製するＤＬＣ相２０４は、通常６００℃程度の温度で１０分程度加熱することによりグラファイト化するので、レーザー照射では、このような加熱効果をもたらすように、波長、ビームパワー、照射時間を選択することによってグラファイト層２０７を形成する。また、グラファイト層（グラファイト膜）２０７の形成については、周知のアーク放電やレーザーアブレーション法など他の方法を用いることによって、セル領域２１０に直接堆積しても良い。
【００２９】
次に、図２の（ｃ）に示すように、グラファイト層（グラファイト膜）２０７に対して、インターカレーション原子２０８となるＣｓ，Ｂａなどの不純物を周知のイオン注入や熱拡散法などで添加しインターカレーションを行う。このインターカレーションによって、前述する図１に示すように、複数個の炭素原子１０１からなるグラファイト層状結晶の層間に、不純物となるＣｓ，Ｂａなどが導入（インターカレーション）されたインターカレーション層２０９が形成される。すなわち、実施の形態１の冷陰極装置では、グラファイト層状結晶の層間にグラファイトよりも仕事関数の小さい不純物となるＣｓ，Ｂａなどが導入（インターカレーション）された構造となるので、電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、高効率で選択的な電子放出特性を得ることが可能な構造となる。
【００３０】
また、前述する方法では、１）ＤＬＣが室温〜３００℃程度の温度で堆積できる、２）レーザーアニールは表面のみの加熱である、３）Ｃｓ，Ｂａなどのインターカレーションが低温でできる、等の全プロセスが低温でできるという効果を得ることができる。その結果、ガラス基板２０１に耐熱性に優れる高価なクリスタルガラス等を用いることなく、安価なガラスやプラスチック基板を使用することが可能となると共に、後述するように、実施の形態１の冷陰極装置を表示デバイスとして用いた場合に、軽量化することができる。
【００３１】
一方、実施の形態１の冷陰極装置を真空気密容器内に配置すると共に、この真空気密容器内で冷陰極装置と対向する位置に陽極となる電極を配置した２極構造とし、この陽極の冷陰極装置側に周知の蛍光体を配置することによって、文字やグラフィックス等を表示する蛍光発光型の表示装置を形成することができる。従って、陰極母線２０２及び陽極間に所定電圧の駆動信号を供給することによって、冷陰極装置のインターカレーション層２０９から放出された電子により蛍光体が発光し、各電極の形成パターンや駆動信号に応じた文字やグラフィックス等の発光表示あるいは発光素子としての発光表示を行うことができる。このとき、実施の形態１の冷陰極装置では、インターカレーション層２０９からの電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、高効率で選択的な電子放出特性を得ることができるので、大面積の表示装置であっても表示むらを大幅に低減した高効率及び高品位の発光表示を得ることができる。
【００３２】
（実施の形態２）
図３は本発明である実施の形態２の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図であり、以下、図３に基づいて、実施の形態２の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明する。ただし、図３に示す実施の形態２の冷陰極装置は、高密度な冷陰極アレイとするため、セル構造あるいはセル障壁をもたないガラス基板上での作製例である。
【００３３】
まず、図３の（ａ）に示すように、ガラス基板３０１に高融点金属などから成る陰極母線３０２を形成する。このとき、後述するように、この陰極母線３０２の上面にＤＬＣを堆積し、さらにこのＤＬＣを加熱してグラファイト化するので、陰極母線３０２の材料には、これらの熱処理に対して安定な、例えばタンタル、モリブデン、あるいはタングステン等の高融点金属が望ましい。
【００３４】
次に、図３の（ｂ）に示すように、陰極母線３０２を形成したガラス基板３０１の上面側、すなわちガラス基板３０１の陰極母線３０２を形成した側にＤＬＣ層３０３を形成する。ただし、このＤＬＣ層３０３は、例えば、実施の形態１と同様に、陰極母線３０２を形成したガラス基板３０１に対して、低温でＣＨ４などの炭化水素系やＣＯなどを原料として、化学気相法などにより、ダイアモンド状炭素３０４（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）を堆積することによって形成される。
【００３５】
次に、図３の（ｃ）に示すように、レーザー光３０５などのエネルギービームを絞り、陰極母線３０２上の電子放出領域とする領域に対してのみレーザー光３０５を照射することによって、照射領域３０８内をアニールする。このアニール処理によって、レーザー光３０５の照射領域３０８内のＤＬＣ層３０３のみを局所的にグラファイト化して、グラファイト領域すなわちグラファイト層３０６を形成する。このとき、電子放出領域となるグラファイト層３０６は、照射するレーザー光３０５のビーム径でほぼ決まる。従って、レーザー光３０５の照射領域３０８の移動と照射とを繰り返すことによって、電子放出領域となるグラファイト層３０６のアレイを容易に形成することが可能となる。
【００３６】
次に、図３の（ｄ）に示すように、レーザー光３０５の照射領域（グラファイト層３０６）に対して、前述した実施の形態１と同様に、インターカレーション原子３０７としてＣｓやＢａなどの不純物をイオン注入や熱拡散法などで添加し、インターカレーションを行うことによって、インターカレーション層３０９が形成される。ただし、インターカレーション原子のＣａやＢａはグラファイトの層間に侵入してインターカレーション層を形成するのに対して、ほぼ非晶質状態にあるＤＬＣ層３０３ではインターカレーション層は形成されないので、グラファイト化領域のみ、選択的にインターカレーション層を形成できる。
【００３７】
すなわち、実施の形態２の冷陰極装置は、グラファイト層状結晶の層間に仕事関数の小さい不純物となるＣｓ，Ｂａなどが導入（インターカレーション）された構造となるので、電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、高効率で選択的な電子放出特性を得ることが可能な構造となる。このとき、インターカレーション層３０９は、レーザー光３０５の照射制御とＣｓやＢａなどの不純物の添加の制御とによって形成することができるので、高密度な冷陰極アレイ構造を形成することができる。その結果、表示装置として、実施の形態２の冷陰極装置を用いた場合には、表示解像度が高く、高精細な表示装置を作製することができる。
【００３８】
ただし、実施の形態２の冷陰極装置を表示装置として用いる場合には、実施の形態１と同様に、実施の形態２の冷陰極装置と対向して陽極を配置した２極構造で電子放出を行う。
【００３９】
（実施の形態３）
図４は本発明である実施の形態３の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図であり、以下、図４に基づいて、実施の形態３の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明する。ただし、図４の（ａ）及び図４の（ｃ）は実施の形態３の冷陰極装置の平面図であり、図４の（ｂ）は図４の（ａ）に示すＡ−Ａ’線での断面図であり、図４の（ｄ）は図４の（ｃ）に示すＣ−Ｃ’線での断面図である
まず、ガラス基板４０１の上面側にＤＬＣ層４０２を一様に形成する。ただし、このＤＬＣ層４０２は、例えば、実施の形態２と同様に、ガラス基板４０１に対して、低温でＣＨ４などの炭化水素系やＣＯなどを原料として、化学気相法などにより、ダイアモンド状炭素（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）を堆積することによって形成する。
【００４０】
次に、図４の（ａ）に示すように、レーザー光などのエネルギービームを絞り、このレーザー光をガラス基板４０１の横方向に移動させることによって、所定の幅でＤＬＣ層４０２をアニールする。このとき、アニール処理を行う領域を順次下方（上方）に移動させて複数回行うことによって、図４の（ａ）に示すように、アニール処理により形成されるグラファイト層４０３とアニール処理を行っていない領域であるＤＬＣ層４０２とを交互に筋状（線状）に配列させる。ただし、図４の（ｂ）に示すように、ＤＬＣ層４０２の下面側すなわちＤＬＣ層４０２とガラス基板４０１とが接する側にまで、アニール処理が達するように加熱することによって、ガラス基板４０１の上面側にグラファイト層４０３を形成する。また、実施の形態３の冷陰極装置では、グラファイト層４０３が陰極母線に対応する領域となる。
【００４１】
次に、このグラファイト層４０３にＣｓやＢａなどの不純物をイオン注入や熱拡散法などで添加し、インターカレーションを行うことによって、グラファイト層４０３の一部もしくは全部に図示しないインターカレーション層を形成する。このインターカレーション層は、本来、低抵抗特性を有するので、そのまま陰極母線として使用することができる。
【００４２】
次に、図４の（ｃ），（ｄ）に示すように、グラファイト層４０３及びインターカレーション層の上面側に、絶縁膜４０５として、例えば、周知のリフロー技術によって数ミクロン以下の厚さのフォト埋め込み用ガラスペーストとしてＰＳＧ（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）等を堆積し、このフォト埋め込み用ガラスペーストを絶縁層（絶縁膜）４０５とする。
【００４３】
次に、図４の（ｃ）に示すように、この絶縁膜の上面側に、ＤＬＣ層４０２やグラファイト層４０３と並行しない方向（例えば、直交方向）に延在するゲート電極母線４０４を形成する。ただし、実施の形態３のゲート電極母線４０４は、ＤＬＣ層４０２やグラファイト層４０３と直交する方向が延在方向となる５ライン分となる。このとき、インターカレーション層と各ゲート電極母線４０４とは、数ミクロン以下の厚さすなわち厚膜の絶縁膜により離間された構造となる。
【００４４】
この後に、図４の（ｃ），（ｄ）に示すように、前述までの工程によって作製した基板に対して、リソグラフィー法などにより、電子放出領域としての電子放出孔４０６をゲート電極母線４０４の側からインターカレーション層が露出する深さまで形成する。このときの電子放出孔４０６は、例えば、図４の（ｄ）に示すように、絶縁膜４０５を介してインターカレーション層とゲート電極母線４０４とが交差する領域のそれぞれに１個ずつが形成される構造となっているが、この交差領域の電子放出孔４０６の数は、２個以上でもよいことはいうまでもない。
【００４５】
このように形成された実施の形態３の冷陰極装置では、ゲート電極母線４０４とインターカレーション層との間に電界を印加して電子を放出させることとなる。
【００４６】
この場合であっても、実施の形態３の冷陰極装置は、グラファイト層状結晶の層間に仕事関数の小さい不純物となるＣｓ，Ｂａなどが導入（インターカレーション）された構造となるので、電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、高効率で選択的な電子放出特性を得ることが可能な構造となる。
【００４７】
一方、実施の形態３の冷陰極装置を真空気密容器内に配置すると共に、この真空気密容器内で冷陰極装置と対向する位置にアノードとなる電極を配置し、このアノード電極の冷陰極装置側に周知の蛍光体を配置することによって、文字やグラフィックス等を表示する蛍光発光型の表示装置を形成することができる。従って、陰極母線となるグラファイト層４０３及びゲート電極母線４０４並びにアノード電極間に所定電圧の駆動信号を供給することによって、冷陰極装置の図示しないインターカレーション層から放出された電子により蛍光体が発光し、各電極の形成パターンや駆動信号に応じた文字やグラフィックス等の発光表示あるいは発光素子としての発光表示を行うことができる。このとき、実施の形態３の冷陰極装置では、インターカレーション層からの電子放出における炭素の化学的安定性を生かしつつ、高効率で選択的な電子放出特性を得ることができるので、大面積の表示装置であっても表示むらを大幅に低減した高効率及び高品位の発光表示を得ることができる。
【００４８】
なお、実施の形態１〜３では、不純物としてＣｓやＢａを用いる場合について説明したが、これに限定されることはなく、Ｋ（カリウム），Ｒｂ（ルビジウム），Ｓｒ（ストロンチウム）等のグラファイトよりも仕事関数の小さいアルカリ金属を用いてもよいことはいうまでもない。さらには、Ｕ，Ｉ２，Ｂｒ２，Ｃｌ２などの金属を用いてもよいことはいうまでもない。
【００４９】
また、実施の形態１〜３では、冷陰極装置の電界放出冷陰極をアレイ状に配列して表示装置を構成する場合について説明したが、この冷陰極装置と光電変換膜とを対向配置することによって、撮像装置を構成できることはいうまでもない。特に、実施の形態２では、高密度な冷陰極アレイ構造を形成することができるので、高精細な撮像装置を作製することができる。
【００５０】
また、実施の形態１〜３では、不純物の導入にあたりステージ（次数）については特に限定していないが、不純物の導入ステージを組合せることによって、電界放出冷陰極から放出される電子を制御する構成としてもよいことはいうまでもない。
【００５１】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００５２】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００５３】
（１）安定で高効率な冷陰極あるいはそのアレイを低温で作製することができる。
【００５４】
（２）レーザーなどのエネルギービームを絞ることにより、そのビームサイズに応じたサイズの電子放出領域およびそのアレイを形成することができるので、蛍光体と組み合わせた表示装置、あるいは光電変換膜と組み合わせた撮像素子の高精細化ができる。
【００５５】
（３）陰極母線も同じ母体材料で形成することもできるので、冷陰極アレイの構造と工程を簡素化できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による冷陰極装置の構造の原理を説明するための図である。
【図２】本発明による実施の形態１の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図である。
【図３】本発明である実施の形態２の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図である。
【図４】本発明である実施の形態３の冷陰極装置の構造と作製方法とを説明するための図である。
【符号の説明】
１０１…炭素原子                    １０２…インターカレーション原子
１０３…放出電子
２０１…ガラス基板                  ２０２…陰極母線
２０３…障壁                        ２０４…ＤＬＣ層
２０５…ダイアモンド状炭素          ２０６…レーザービーム
２０７…グラファイト層              ２０８…インターカレーション原子
２０９…インターカレーション層      ２１０…セル領域
３０１…ガラス基板                  ３０２…陰極母線
３０３…ＤＬＣ層                    ３０４…ダイアモンド状炭素
３０５…レーザー光                  ３０６…グラファイト層
３０７…インターカレーション原子    ３０８…レーザー光の照射領域
３０９…インターカレーション層
４０１…ガラス基板                  ４０２…ＤＬＣ層
４０３…グラファイト層              ４０４…ゲート電極母線
４０５…絶縁膜                      ４０６…電子放出孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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