(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート絶縁層上に形成した引き出し電極によって電子を引き出し放出する機能を有する電子源アレイにおいて、
基板にライン状の複数の溝が一方向に並べて形成され、これら溝の底部にカソード配線がライン状に形成され、このカソード配線の上に電子放出材料とバインダー材料の分散系からなる電子放出層が形成され、この電子放出層の上に前記溝を埋め込むようにゲート絶縁層がライン状に形成され、前記基板およびゲート絶縁層の上に、ライン状の複数の前記引き出し電極が前記カソード電極と交差するように並べて形成され、前記カソード電極と引き出し電極との各交差部における引き出し電極に複数の孔が形成され、これら孔の形成位置における前記ゲート絶縁層が除去され、前記電子放出層が前記孔を通じて露出されていることを特徴とする電子源アレイ。
【請求項２】
基板にライン状の複数の溝を一方向に並べて形成する工程と、
前記溝の底部に第１の配線を印刷配線技術にてライン状に形成する工程と、
前記第１の配線の上に電子放出材料とバインダー材料の分散系からなる電子放出層を形成する工程と、
この電子放出層の上に、前記溝を埋め込むようにゲート絶縁層をライン状に形成する工程と、
前記基板およびゲート絶縁層の上に、引き出し電極を第１の電極と交差するように並べて形成する工程と、
第１の電極と引き出し電極との各交差部における引き出し電極に複数の孔を形成する工程と、
これら孔の形成位置における前記ゲート絶縁層を、前記引き出し電極をマスクとするドライエッチングおよびウエットエッチングにより除去し、前記電子放出層を前記孔を通じて露出させる工程とを含むことを特徴とする電子源アレイの製造方法。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載の電子源アレイまたはその製造方法を用いて形成される画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディスプレイ、蛍光表示管、ランプ、電子銃等に用いられ、ＸＹマトリクス駆動可能な電子源アレイ及びその製造方法と、これらを用いて形成される画像生成装置を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）は自発光型フラットパネルディスプレイへの応用が期待され、電界放出型電子源の研究、開発が盛んに行われている。
【０００３】
ＦＥＤに用いる電子源アレイとしては、図５に示すＣ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔらのピラミッド型の金属電子源（ＵＳＰ３，６６５，２４１）が良く知られており、その金属電子源は高融点金属材料で形成されているが、電子源の先端径制御、均一性制御、更には信頼性の点で大きな問題があった。なお、この図５において、１０は電子源アレイ、１１は表面処理された電子源アレイ、１２はピラミット型形状の電子源アレイを示す。
【０００４】
近年（１９９１年）、飯島らによりカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が発見された（Ｓ．Ｉｉｍａ、Ｎａｔｕｒｅ、３５４、５６、１９９１）。このＣＮＴは、円筒状に巻いたグラファイト層が入れ子状になったもので、その先端径が約１０ｎｍ程度であり、耐酸化性、耐イオン衝撃性が強い点で電子源アレイとしては非常に優れた特徴を有する材料と考えられている。実際、ＣＮＴからの電界放出実験が、１９９５年にＲ．Ｅ．Ｓｍａｌｌｅｙら（Ａ．Ｇ．Ｒｉｎｚｌｅｒ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２６９、１５５０、１９９９５）とＷ．Ａ．ｄｅ  Ｈｅｅｒら（Ｗ．Ａ．ｄｅ  Ｈｅｅｒ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２７０、１１７９、１９９５）の研究グループから報告されている。
【０００５】
このような電界放出実験に於いては、金属電極上にＣＮＴをキャスト膜として配置し、引き出し電極として金属板のメッシュを用い、対向電極であるアノードに電子を集めている。
【０００６】
一方、特開平１０ー１２１２４号公報に開示されているように、金属の細孔中にＣＮＴを選択的に成長し、ＣＮＴを規則正しく配列することで電流強度の時間的安定性を改良することも知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＣＮＴを用いた電子源アレイは、金属電極上にＣＮＴをキャスト膜として配置しているため、電子源アレイを分割することができず、ディスプレイのようなＸＹアドレスが必要な電子源アレイに応用することが困難であった。
【０００８】
また、特開平１０ー１２１２４号公報のように、金属の細孔中にＣＮＴを選択的に成長することで電子源アレイの分割は可能となるが、引き出し電極と電子源アレイと電気的に接続したカソード配線が互いに平行に配置されているため、従来のＣＮＴと同様にＸＹアドレスができなかった。また、ＣＮＴを成長させるための加熱処理温度が１１５０℃程度と高く、支持基板に形成した駆動回路（ＣＭＯＳ）が劣化し、電子源アレイが駆動できなくなるという課題があった。
【０００９】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するものであり、その目的は、Ｘ−Ｙアドレス駆動が可能な電子源アレイ、及びその製造方法を提供することであり、さらには同一基板上に駆動回路を形成可能な画像形成装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、
請求項１では、電子源アレイを電子放出材料とバインダー材料で構成することにより、任意のブロックに分割可能な電子源アレイを提供すると共に、高温度の加熱処理を不要にしたことで、同一支持基板上に配設された駆動回路にダメージを与えない構成にする。
【００１１】
請求項２では、電子源アレイ、引き出し電極、及びゲート絶縁層を支持基板の溝に埋め込むことにより、ゲート絶縁層の上方に引き出し電極、集束電極、及び駆動回路を形成するＣＭＯＳ等が配設可能な電子源アレイを提供する。
【００１２】
請求項３では、電子放出材料とバインダー材料の分散系に界面活性剤を添加することにより、バインダー材料中に電子放出材料を均一に分散した高品質な電子放出領域を有する電子源アレイを提供する。
【００１３】
請求項４では、分散系を電子放出材料の微粒子、バインダー材料、界面活性剤、導電材料の微粒子構造とすることにより、絶縁性のバインダー材料を高抵抗化すると共に、その抵抗を制御し、バインダー材料に電流制限機構を付与する。
【００１４】
請求項５では、バインダー材料を紫外線硬化樹脂にすることにより、紫外線照射で分割可能な電子源アレイを提供する。
【００１５】
請求項６では、バインダー材料を電子線硬化樹脂にすることにより、電子線照射で分割可能な電子源アレイを提供する。
【００１６】
請求項７では、バインダー材料を熱硬化樹脂にすることにより、赤外領域に波長を有するレーザー照射で分割可能な電子源アレイを提供する。
【００１７】
請求項８では、バインダー材料としてフリットガラスを用いることにより、真空中のデカスが少ない、真空系に有利な電子源アレイを提供する。
【００１８】
請求項９では、電子放出領域を凸凹形状の表面にすることにより、電子放出材料の露出面積を増加し、高い電流密度を有する電子源アレイを提供する。
【００１９】
請求項１０では、引き出し電極を薄膜で形成し、支持基板に埋め込んだゲート絶縁層で機械的に支持し、引き出し電極とカソード配線を互いに直交する構造にすることにより、電子源アレイのＸＹマトリクス駆動を可能にすると共に、金属板等で形成したメッシュ電極を不要にし、部品数を削減可能な電子源アレイを提供する。
【００２０】
請求項１１では、カーボンナノチューブ、ダイアモンド、グラファイト等の炭素材料の微粒子から構成される電子源アレイを提供する。
【００２１】
請求項１２では、ボロンナイトライド、シリコン等の半導体材料の微粒子から構成される電子源アレイを提供する。
【００２２】
請求項１３では、金、白金等の貴金属の微粒子から構成される電子源アレイを提供する。
【００２３】
請求項１４では、本発明の電子源アレイの製造方法を提供する。
【００２４】
請求項１５では、基板の溝をサンドブラストで形成することにより、フォトリソ及びエッチング工程が不要な電子源アレイの製造方法を提供する。
【００２５】
請求項１６では、紫外線照射法で電子源アレイを分割する電子源アレイの製造方法を提供する。
【００２６】
請求項１７では、ホログラム法で電子源アレイを分割することで、微細な電子源アレイの製造方法を提供する。
【００２７】
請求項１８では、電子線照射法で電子源アレイを分割する電子源アレイの製造方法を提供する。
【００２８】
請求項１９では、赤外領域に波長を有するレーザー照射法で電子源アレイを分割する電子源アレイの製造方法を提供する。
【００２９】
請求項２０では、電子放出領域表面を酸素プラズマエッチング法で後処理することにより、表面形状を凸凹にする電子源アレイの製造方法を提供する。
【００３０】
請求項２１では、ゲート絶縁層を平坦化することで、ゲート絶縁層の上方に引き出し電極、集束電極、及び駆動回路を形成するＣＭＯＳ等が配設を容易にする電子源アレイの製造方法を提供する。
【００３１】
請求項２２では、平坦化する工程をＣＭＰ法とすることで、平坦化の制御性と精度を向上する。
【００３２】
請求項２３では、本発明のＸＹマトリクス駆動可能な電子源アレイ及びその製造方法を用いて形成される画像形成装置を提供する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
〈第１実施形態〉
図１（ａ）〜（ｃ）は本発明の電子源アレイの構造を示す。以下、図１に従い、本発明の電子源アレイの構成を説明する。
【００３４】
図１（ａ）は本発明の電子源アレイの斜視図である。電子源アレイを機械的に支持する基板１上には、電子源アレイと電気的に接続するカソード配線２が配設されている。また、カソード配線２と電子源から電子を真空中に引き出す引き出し電極（ゲート電極）３を絶縁するゲート絶縁層４（点で表示）は支持基板１に形成された溝に埋め込まれ、これらのゲート絶縁層４と支持基板１の上層に、カソード配線とは互いに直交した構成でゲト電極３が配設されている。
【００３５】
図１（ｂ）、（ｃ）は、図１（ａ）の断面線Ａ、Ｂでのそれぞれの断面図である。ゲート電極３に平行な断面線Ａに於ける断面図を示す図１（ｂ）から明らかなように、ゲート電極３はカソード配線２が配設される溝部分でゲート絶縁層４で機械的に保持されると共に、カソード配線３をそれぞれ電気的に絶縁する溝以外の部分では支持基板１により機械的に保持されている。一方、カソード配線２に平行な断面線Ｂに於ける断面図を示す図１（ｃ）を見ると、ゲート電極３はゲート絶縁層上で電気的に分離され、カソード配線２に直交するように配設されている。
【００３６】
電子源アレイ５は、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、カソード配線上に正方形（または、長方形）の形状で、カソード配線２とゲート電極３の交差部に配置されている。
【００３７】
この電子源アレイ５において、それぞれの電子源アレイ５の上方のゲート絶縁層及びゲート電極は除去され、空孔６が形成されており、ゲート電極３で引き出された電子はこの空孔６を通過してアノードに集めることができた。また、空孔６で露出された電子放出領域７の表面には、無数の電子放出材料が存在し、この表面を凸凹形状にすることで表面に存在する電子放出材料の密度が増加でき、アノードに集められた電子、即ちエミッション電流が飛躍的に増加した。また、前記凸凹形状を更に強調すると、針状の集合体を形成できた。一方、ゲート電極の開口径８は空孔６よりも小さいため、ゲート電極に流れる電流が多くなることが懸念されるが、ゲート電流はエミッション電流と比較して小さく、問題となるレベルではなかった。
【００３８】
ここで、図２（ａ）〜（ｆ）を用いて、本実施形態の電子源アレイの製造方法を説明する。
【００３９】
まず、電子源アレイを形成する支持基板１にライン状の溝９を形成した。この溝９はドライエッチングで形成できる。溝９の幅は５０μｍ〜５００μｍ、深さは０．５μｍ〜５０μｍ程度の間で適宜形成される。本実施形態に於いては、支持基板１として対角５インチのガラス基板を用い、溝９の幅を２００μｍ、溝のピッチを３００μｍとし、溝の深さを５μｍとした。さらに、この溝９の底部に金属配線２を形成した。この金属配線２は印刷配線技術を用いて形成することが好ましい。金属配線材料を堆積してフォトリソ、エッチングで形成することも可能であるが、実験を行ったところ、溝９の中にフォトリソを行うことが難しく、溝９の内部に形成されたレジスト形状が劣化していた。本実施形態に於いては、印刷技術を用い、幅：１００μｍ、膜厚：１μｍの銅配線を形成した（図２（ａ））。
【００４０】
次に、電子放出材料とバインダー材料の分散系からなる電子源アレイ１０を形成した。電子放出材料とバインダー材料は以下のように形成した。
【００４１】
この電子放出材料の微粒子としては、電子放出する材料の微粒子であればどれでも構わず、例えば、単結晶ダイアモンド、グラファイト等の炭素材料の微粒子、ボロンナイトライド、シリコン等の半導体材料の微粒子、金、白金等の貴金属材料の微粒子が挙げられる。
【００４２】
一方、バインダー材料としては、その単量体が光、電子、熱等で重合可能なものであればどれでも構わず、例えば、紫外線硬化樹脂、電子線硬化樹脂、熱硬化樹脂等が挙げられる。
【００４３】
本実施形態に於いては、電子放出材料としてカーボンナノチューブ（マルチウォールドカーボンナノチューブ、純度：５０％）の微粒子を用い、バインダー材料として紫外線硬化樹脂（アクリル系樹脂）を用いた。紫外線硬化樹脂としては、粘度が低いものが分散を容易にする点で好ましい。また、分散の安定性、均一性の点で界面活性剤を微量添加することが好ましい。
【００４４】
本実施形態に於いては、カーボンナノチューブ：バインダー：界面活性剤を４９：５０：１の混合比で混合し、分散系とした。この際、バインダーが絶縁体であるため、金属配線材料２と導通が取れなくなることが考えられるが、実験結果によれば、導通が取れなくなることはなかった。この理由として、繊維状のカーボンナノチューブがお互いランダムにどこかの点で接触し、マクロ的には、導通が取れていると考えられる。しかし、この場合、カーボンナノチューブの混合量を減少すると、導電性が劣化することが実験的に明らかになっており、注意が必要である。
【００４５】
繊維状の形態ではないその他の電子放出材料の場合、念のため、金属微粒子を分散系に添加し、バインダーの導電性を取ることが好ましい。もちろん、カーボンナノチューブに対しても、金属微粒子を添加して導電性を向上しても構わない。
【００４６】
このように調製した分散系をスピナーで塗布した。膜厚は１μｍであった。紫外線を照射することにより、所定形状の電子源アレイ１０を形成した。本実施形態では、縦横が１００μｍの正方形の電子源アレイ１０を形成した（図２（ｂ））。
【００４７】
本実施形態においては、典型的な例として紫外線硬化樹脂を用いたが、電子線硬化樹脂、熱硬化樹脂においても、紫外線硬化樹脂と同様に分散系の形成、スピナーによる塗布、所定形状の電子源アレイ１０の形成が可能であることを実験的に確認した。また、高温の熱処理が一切不要であるため、ＣＭＯＳから形成される駆動回路、論理回路、または、保護回路等を同一基板上に形成しても構わない。
【００４８】
次に、ゲート絶縁材料４で基板の溝９を埋め込んだ。ゲート絶縁材料としては、Ｏ３−ＴＥＯＳ、ＰＥ−ＴＥＯＳ、ＢＰＳＧ、ＳＯＧ等が好ましい。Ｏ３−ＴＥＯＳ、ＰＥ−ＴＥＯＳを堆積し、ＣＭＰ（化学的・機械的研磨）法で平坦化することは、制御性、精度の点で好ましく、一方、ＢＰＳＧ、または、ＳＯＧを堆積し、リフローして平坦化することはコストの点で好ましい。どのゲート絶縁材料を用い、平坦化するかは、適宜、当業者により決定されるべきことである。本実施形態に於いては、埋め込む溝の体積が幅：２００μｍ、深さ：５μｍ、長さ９０ｍｍと大きいことから、ＳＯＧを塗布して溝を埋め込み、エッチバック法で平坦化を行った（図２（ｃ））。
【００４９】
次に、ゲート電極材料３を堆積した。本実施形態に於いては、ゲート金属材料としてモリブデンを用い、ＥＢ蒸着法で０．５μｍ堆積してゲート電極を形成した（図２（ｄ））。
【００５０】
本実施形態においては、平坦化されたゲート絶縁膜上にゲート電極のみを形成しているが、さらに上方に電子ビームを集束するための集束電極を形成しても構わない。
【００５１】
次に、電子源アレイ５を形成する領域のゲート電極にホール８の形成、及びゲート電極配線のパターニングを行った。ホール８及び配線の形成はフォトリソ及びドライエッチングで容易に形成した（図２（ｅ））。ホール８の直径は１μｍ、ピッチは５μｍであり、ゲート電極配線のライン幅は２００μｍ、ピッチは３００μｍとした。
【００５２】
最後に、ホール８の下方にあるゲート絶縁層をエッチング除去し、空孔６を形成した。空孔６の形成はゲート電極配線をエッチングマスクとし、２μｍ相当をドライエッチングで、１μｍ相当をウエットエッチングでゲート絶縁層を除去して電子放出領域７を形成した（図３（ｆ））。
【００５３】
本実施形態において、ドライエッチングとウエットエッチングを組み合わせて空孔６を形成したのは、空孔のピッチが５μｍであるためで、空孔のピッチが例えば、１０μｍ程度あれば、ウエットエッチングだけを用いることができる。ドライエッチングとウエットエッチングをどのように組み合わせるかは、ゲート電極と電子源間のゲート絶縁層の膜厚、及び空孔間のピッチで決定することが好ましい。
【００５４】
以上のような製造方法により、１００μｍ角の電子源アレイに約４００個の電子放出領域を形成でき、１μｍのゲート電極の開口部から電子を放出することを実験で確認した。この時の、アノード電圧は１ＫＶ、ゲート電圧は３００Ｖ、エミッション電流は５μＡ程度であった。
【００５５】
また、対角５インチのガラス基板にこのような電子源アレイを３２０×２４０個配設したところ、電子源アレイと電気的に接続した金属配線（カソード配線）２とゲート電極３との選択により任意の電子源アレイが選択可能であり、この電子源アレイと対向するアノード電極に蛍光体を配置すると、任意の電子源アレイから放出された電子の衝突により、蛍光体が発光した。
〈第２実施形態〉
本実施形態では、電子源アレイの表面を凸凹形状にする製造方法を図３（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
【００５６】
支持基板１に金属配線２及び電子源アレイ１０を形成する方法は図２（ａ）と同様に行うことで、図３（ａ）に示す断面工程図が得られた。
【００５７】
次に、電子源アレイ１０の表面を凸凹形状にした。電子源アレイの表面を凸凹にするためには、電子放出材料とバインダー材料のエッチングレートの違いを利用すれば容易であった。本実施形態に於いては、Ｏ２プラズマエッチング法を用いた。
【００５８】
通常のＲＩＥ装置で第１の実施形態で製造した電子源アレイをＯ２プラズマエッチングすると、バインダー材料であるアクリル系樹脂のエッチングレートはカーボンナノチューブのエッチングレートよりも著しく速いため、表面処理された電子源アレイの表面１１は図３（ｂ）のように、凸凹になった。この形状はＳＥＭを用いた断面形状の観察で実験的に確認した。
【００５９】
最後に、第１の実施形態の図２（ｃ）〜（ｆ）に従い、ゲート絶縁層４の埋め込み、ゲート電極３の形成、空孔６の形成を行うことで本実施形態の電子源アレイ（図３（ｃ））を製造できた。
【００６０】
第１の実施形態と同様に、アノード電圧を１ＫＶ、ゲート電圧を３００Ｖにすると、エミッション電流は第１の実施形態の少なくとも１．５倍以上であることを実験的に確認した。
〈第３実施形態〉
本実施形態では、電子源アレイが微細化可能な製造方法を図４（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
【００６１】
支持基板１に金属配線２及び電子源アレイ１０を形成する方法は第２の実施形態と同様、第１の実施形態に従った（図４（ａ））。
【００６２】
次に、電子源アレイ１０を微細化にするために、電子放出材料とバインダー材料の分散系を塗布後、ホログラム法を用い、電子源アレイのパターンを形成した。ホログラムは市販の装置をそのまま用いて形成した。露光後、電子源アレイをＳＥＭ観察すると、図４（ｂ）のように、ピラミッド型形状の電子源アレイ１２が多数存在し、そのピラミッドの大きさを１μｍ以下にすることができた。
【００６３】
製造した電子源アレイに、アノード電圧を１ＫＶ、ゲート電圧を３００Ｖを印加すると、エミッション電流は第１の実施形態の少なくとも２倍以上であることを実験的に確認した。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば以下の効果を有する。
【００６５】
請求項１及び２では、任意のブロックに分割可能な電子源アレイを提供し、  ＣＭＯＳから形成される駆動回路、論理回路、保護回路等が配設可能した。
【００６６】
請求項３では、均一に分散した高品質、高密度な電子放出領域を有する電子源アレイを提供した。
【００６７】
請求項４では、絶縁性のバインダー材料を高抵抗化すると共に、その抵抗を制御し、バインダー材料に電流制限機構を付与した電子源アレイを提供した。
【００６８】
請求項５〜７では、バインダー材料を紫外線硬化樹脂、電子線硬化樹脂、熱硬化樹脂を用いて、任意のパターンを有する電子源アレイを提供できた。
【００６９】
請求項８では、真空中でのデガスが少ない、真空系のデバイスに対して有利なバインダー材料を提供した。
【００７０】
請求項９では、エミッション電流を向上した電子源アレイを提供できた。
【００７１】
請求項１０では、電子源アレイのＸＹマトリクス駆動を可能にし、金属板等で形成したメッシュ電極を不要にした。
【００７２】
請求項１１〜１３では、カーボンナノチューブ、ダイアモンド、グラファイト等の炭素材料の微粒子、ボロンナイトライド、シリコン等の半導体材料の微粒子、金、白金等の貴金属の微粒子から構成される電子源アレイを提供できた。
【００７３】
請求項１４では、本発明の電子源アレイを製造できた。
【００７４】
請求項１５では、基板を直接研磨するため、フォトリソ及びエッチング工程が不要になるため、工程が簡略化できると共に、真空装置が不要になるため、基板面積に製造方法が限定されるようなことがなくなる。
【００７５】
請求項１６、１８、及び１９では、電子源アレイを分割可能な製造方法を提供できた。
【００７６】
請求項１７では、微細化した電子源アレイを製造できた。
【００７７】
請求項２０では、表面形状を凸凹にする電子源アレイを製造できた。
【００７８】
請求項２１では、ゲート絶縁層を平坦化することで、ゲート絶縁層の上方に引き出し電極、集束電極、及び各種回路を形成できると共に、請求項２２では、平坦化する工程をＣＭＰ法とすることで、平坦化の制御性と精度を向上した。
【００７９】
請求項２３では、本発明のＸＹマトリクス駆動可能な電子源アレイ及びその製造方法を用いて形成される画像形成装置を提供した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子源アレイの斜視図（ａ）であり、（ｂ）は（ａ）の断面線Ａでの電子源アレイの断面図、（ｃ）は（ａ）の断面線Ｂでの電子源アレイの断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｆ）は第１の実施形態に於ける工程断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施形態に於ける工程断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は第３の実施形態に於ける工程断面図である。
【図５】従来の電子源アレイの斜視図である。
【符号の説明】
１  支持基板
２  カソード配線
３  引き出し電極（ゲート電極）
４  ゲート絶縁層
５  電子源アレイ
６  空孔
７  電子放出領域
８  ゲート電極の開口部
９  ライン状の溝
１０  電子源アレイ
１１  表面処理された電子源アレイ
１２  ピラミッド型形状の電子源アレイ
【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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