(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細な細孔を有するゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層中に埋め込まれた電界放出電子源と、前記ゲート絶縁層上に配設されたゲート電極と、前記電界放出電子源と電気的に接続したカソード電極とを有する冷陰極構造体が支持基板に支持されている電界放出型冷陰極であって、
前記電界放出電子源は、前記カソード電極を、電解メッキ法による電極として用いて前記カソード電極上に位置する細孔に対してのみ電子放出材料を選択的に埋め込んで形成されていることを特徴とする電界放出型冷陰極。
【請求項２】
前記ゲート電極及び前記カソード電極が互いに直交していることを特徴とする請求項１記載の電界放出型冷陰極。
【請求項３】
前記電界放出電子源が集積した電子放出領域以外の領域の前記ゲート絶縁層と前記ゲート電極の間に短絡防止層が配設されていることを特徴とする請求項１又は２いずれかに記載の電界放出型冷陰極。
【請求項４】
前記ゲート絶縁層がアルミニウムの陽極酸化皮膜であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の電界放出型冷陰極。
【請求項５】
前記電界放出電子源が、コバルト、ニッケル、すず、タングステン、銀、テルル、セレン、マンガン、亜鉛、カドミウム、鉛、クロム、鉄のいずれかを含有することを特徴とする請求項１又は３いずれかに記載の電界放出型冷陰極。
【請求項６】
金属基板を陽極酸化して細孔を有する酸化皮膜を形成する工程と、前記陽極酸化した金属基板から未酸化の金属を除去して酸化皮膜を分離する工程と、前記酸化皮膜の一方の表面にカソード電極を形成する工程と、前記カソード電極を形成した表面に絶縁材料を堆積する工程と、前記絶縁材料を平坦化する工程と、前記カソード電極を、電解メッキ法による電極として用いて前記カソード電極上に位置する細孔に対してのみ電子放出材料を選択的に埋め込んで電界放出電子源を形成する工程と、前記カソード電極を形成した酸化皮膜表面と反対側の表面にゲート電極を形成する工程と、前記カソード電極側の表面を絶縁性の支持基板に貼り合わせる工程と、を含むことを特徴とする電界放出型冷陰極の製造方法。
【請求項７】
絶縁性の支持基板上にカソード電極を形成する工程と、前記カソード電極上に絶縁材料を堆積する工程と、前記絶縁材料を除去して前記カソード電極の表面を露出する工程と、前記カソード電極の表面を陽極酸化して細孔を有する酸化皮膜を形成する工程と、前記カソード電極を、電解メッキ法による電極として用いて前記カソード電極上に位置する細孔に対してのみ電子放出材料を選択的に埋め込んで電界放出電子源を形成する工程と、前記カソード電極を形成した酸化皮膜表面と反対側の表面にゲート電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする電界放出型冷陰極の製造方法。
【請求項８】
前記細孔中に電子放出材料を埋め込んで電界放出電子源を形成する工程では、
前記細孔中に埋め込まれた電子放出材料にキャップを形成する工程と、該キャップをリフトオフする工程とを含むことを特徴とする請求項６又は７いずれかに記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
【請求項９】
前記細孔中に電子放出材料を埋め込んで電界放出電子源を形成する工程では、
前記カソード電極を形成した酸化皮膜表面と反対側の表面に絶縁材料を堆積する工程と、前記絶縁材料の電子放出領域を窓開けする工程と、前記細孔中に電子放出材料を埋め込む工程とを含むことを特徴とする請求項６又は７いずれかに記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
【請求項１０】
前記細孔中に電子放出材料を埋め込んで電界放出電子源を形成する工程が、電気化学的堆積方法であることを特徴とする請求項６又は７いずれかに記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷陰極ランプ、蛍光表示管、液晶デバイス用のバックライト、フィールドエミッションディスプレイ等に用いられる電界放出型冷陰極及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、強電界を印加することにより、電界放出電子を放出する電界放出型冷陰極の研究、開発が盛んに行われ、フラットパネルディスプレイ、すなわちフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）への応用が期待されている。
【０００３】
冷陰極に用いられる電界放出電子源として、ピラミッド形状の金属材料からなる構造のものが知られている（米国特許第３６５２４１号公報参照）が、このような電界放出電子源は、１μｍ程度の微細加工が必要であること、各々の電界放出電子源の形状が均一に制御できないことが課題となっていた。また、一方では、更に微細な電界放出電子源が切望されていた。
このような課題を解決する技術として、特許第２８０６９７８号、あるいは特開平７−２２０６１９号公報に記載の電界放出型冷陰極が開示されている。
【０００４】
すなわち、特許第２８０６９７８号公報には、陽極処理されたアルミナの層であってそれの主表面に対して実質的に直交関係にある複数の細長い孔を有する陽極処理アルミナ層を設け、前記孔を電子放出材料で完全に充填し、次に前記層の少なくとも一部分を除去してその層の画定された表面を形成し、かつこの画定された表面からそれに対して角度をもって延長した複数の電子放出スパイクを形成して、複数の電子放出構造を作成し、この構造がそれぞれ互に傾斜した複数の電子放出スパイクを具備しているようにした冷陰極電界放出装置が開示されている。
【０００５】
また、特開平７−２２０６１９号公報には、図８に示すように、アルミニウム基板１００にシリコン酸化膜１０１とモリブデン１０２の層を形成し（８ａ）、開口部１０４を複数個開口し（図８ｂ）、開口部１０４に陽極酸化膜１０５を形成し（８ｃ）、次に、バリア層１０６を除去し（８ｄ）、陽極酸化膜１０５に形成される微小孔１０７にニッケル１０８を埋め込み（８ｅ）、フォトレジスト１０３を除去し（８ｆ）、埋め込んだニッケル１０８を冷陰極とし、モリブデン１０２をゲート電極とする構造が開示されている。
【０００６】
上記の技術は、いずれもアルミニウムの陽極酸化皮膜に形成された細孔中に電界放出電子源を形成するものであり、従来の微細加工技術を用いることなく、数十ｎｍ程度の微小な電界放出電子源の形成を可能にしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の冷陰極にあっては、基板がアルミニウムに限定されるという問題があった。
また、基板全体にわたって電界放出領域（画素）が形成されるため、ＸＹアドレスを可能にする電極の配設が難しく高集積化が困難であるという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、電界放出電子源を電界放出領域に高配向状態で、高集積化できると共に、電界放出電子源がカソード電極上に選択的に配設可能となり、かつ任意の材質の支持基板の使用を可能にする電界放出型冷陰極及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の電界放出型冷陰極は、微細な細孔を有するゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層中に埋め込まれた電界放出電子源と、前記ゲート絶縁層上に配設されたゲート電極と、前記電界放出電子源と電気的に接続したカソード電極とを有する冷陰極構造体が支持基板に支持されている電界放出型冷陰極であって、前記電界放出電子源は、前記カソード電極を、電解メッキ法による電極として用いて前記カソード電極上に位置する細孔に対してのみ電子放出材料を選択的に埋め込んで形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、前記ゲート電極及び前記カソード電極が互いに直交していることで、ゲート電極及び前記カソード電極が任意に形成可能となり、互いに直交する位置に具備することができる。
また、前記電界放出電子源が集積した電子放出領域以外の領域の前記ゲート絶縁層と前記ゲート電極との間に短絡防止層が配設されていることで、ゲート電極とカソード電極の間の短絡を防止できる。
【００１１】
また、前記ゲート絶縁層がアルミニウムの陽極酸化皮膜であることで、アルミニウムの陽極酸化皮膜からなる鋳型をゲート絶縁層とした用いることで、３０ｎｍ以下の先端径を有する電界放出電子源が電子放出領域（画素）に高集積化できる。
【００１２】
また、前記電界放出電子源が、コバルト、ニッケル、すず、タングステン、銀、テルル、セレン、マンガン、亜鉛、カドミウム、鉛、クロム、鉄のいずれかを含有することを特徴とする。これらの材料のうち２つ以上のものの混合物又はそれらの合金でもよい。
【００１３】
また、本発明の電界放出型冷陰極の製造方法は、金属基板を陽極酸化して細孔を有する酸化皮膜を形成する工程と、前記陽極酸化した金属基板から未酸化の金属を除去して酸化皮膜を分離する工程と、前記酸化皮膜の一方の表面にカソード電極を形成する工程と、前記カソード電極を形成した表面に絶縁材料を堆積する工程と、前記絶縁材料を平坦化する工程と、前記カソード電極を、電解メッキ法による電極として用いて前記カソード電極上に位置する細孔に対してのみ電子放出材料を選択的に埋め込んで電界放出電子源を形成する工程と、前記カソード電極を形成した酸化皮膜表面と反対側の表面にゲート電極を形成する工程と、前記カソード電極側の表面を絶縁性の支持基板に貼り合わせる工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の電界放出型冷陰極の製造方法は、絶縁性の支持基板上にカソード電極を形成する工程と、前記カソード電極上に絶縁材料を堆積する工程と、前記絶縁材料を除去して前記カソード電極の表面を露出する工程と、前記カソード電極の表面を陽極酸化して細孔を有する酸化皮膜を形成する工程と、前記カソード電極を、電解メッキ法による電極として用いて前記カソード電極上に位置する細孔に対してのみ電子放出材料を選択的に埋め込んで電界放出電子源を形成する工程と、前記カソード電極を形成した酸化皮膜表面と反対側の表面にゲート電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
また、前記細孔中に電子放出材料を埋め込んで電界放出電子源を形成する工程では、前記細孔中に埋め込まれた電子放出材料にキャップを形成する工程と、該キャップをリフトオフする工程とを含むことで、自己整合的にゲート電極の形成が可能となる。
【００１６】
また、前記細孔中に電子放出材料を埋め込んで電界放出電子源を形成する工程では、前記カソード電極を形成した酸化皮膜表面と反対側の表面に絶縁材料を堆積する工程と、前記絶縁材料の電子放出領域を窓開けする工程と、前記細孔中に電子放出材料を埋め込む工程とを含むことで、カソード電極下層に短絡防止層の形成が可能となる。
また、前記細孔中に電子放出材料を埋め込む工程が電気化学的堆積方法であることで、電気化学的堆積法で電界放出電子源を形成が可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態の電界放出型冷陰極の平面図、図２及び図３は、図１のＩＩ−ＩＩ及びＩＩＩ−ＩＩＩ矢視線断面図である。
【００１８】
このような冷陰極の構造は、フィールドエミッションディスプレイに利用可能なものであり、ゲート電極とカソード電極を用いて、電子放出領域（画素）をＸＹアドレスする。
【００１９】
これらの図において、冷陰極構造体２０は、絶縁性の電子放出基体（以下、ゲート絶縁層という）１と、ゲート電極６と、カソード電極１０とを備える。ゲート絶縁層１には、多数の細孔９が形成されている。この細孔９には、電子放出材料２（電界放出電子源）が完全に充填された細孔９０１と、電子放出材料２の充填が不十分である細孔９０２と、全く充填されていない細孔９０３との３種類が存在する。電子放出材料２が不十分に充填された細孔９０２が形成される確率は著しく小さいものの、カソード電極５とゲート電極６が電気的に接続し、短絡を引き起こす可能性があるため、このような短絡を防止する構造として、第１実施の形態では、短絡防止層７を設けている。すなわち、図２及び図３に示すように、短絡防止層７は、電子放出領域（画素）８以外の領域のゲート絶縁層１とゲート電極６の間に配設されている。
【００２０】
上記構造の冷陰極構造体２０はガラス基板等の支持基板１５に貼り合わせられて第１実施の形態の電界放出型冷陰極Ａが構成されている。
一例として、対角１インチのゲート絶縁層１にカソード電極１０とゲート電極６を配設し、１００×１００のマトリクスを形成した。カソード電極１０とゲート電極６が直交する電子放出領域８は１００μｍ×１００μｍ程度の大きさであり、電界放出材料２が約８００万個存在する。また、このような構成の冷陰極と対向するように蛍光体を被着したアノード電極（図示せず）を配設し、ゲート電極６に数１０Ｖ、アノード電極に数ＫＶを印加し、カソード電極１０を接地すると、エミッション、蛍光体の発光が行われる。
【００２１】
また、冷陰極ランプ、蛍光表示管、液晶デバイス用のバックライトについては、カソード電極、ゲート電極を任意の形状に分割することで、前記のフィールドエミッションディスプレイと同様に形成可能である。すなわち、冷陰極ランプはカソード電極及びゲート電極の分割を必要とせず、蛍光表示管はセグメントに分割し、液晶デバイス用のバックライトは、カソード電極及びゲート電極をラインに分割することにより形成される。
【００２２】
次に、第１の実施の形態の電界放出型冷陰極の製造方法を図４及び図５の工程断面図に基づいて説明する。
まず、陽極酸化可能な金属基板を陽極酸化し、片側の表面にカソード電極１０を形成する。陽極酸化可能な金属基板としては、アルミニウムが好適に使用される。アルミニウムを陽極酸化すると、直径数１０ｎｍ〜数百ｎｍ程度の細孔が点在する陽極酸化皮膜と、陽極酸化皮膜下層に存在するバリア層と、未酸化のアルミニウム層とが形成される。逆電圧を電極に印加すると、未酸化のアルミニウムとバリア層は陽極酸化皮膜から剥離することができる。このようにして得られた陽極酸化皮膜が、図４（ａ）に示すように絶縁性の電子放出基体（ゲート絶縁層）１となる。この陽極酸化皮膜、すなわちゲート絶縁層１には、一例として直径が３０ｎｍ程度の細孔９が密度６００〜１０００個／μｍ２  で形成されている。
【００２３】
以上のように、ゲート絶縁層１の片面の表面上にカソード電極１０を形成し、更に絶縁材料１１を堆積し、カソード電極１０の表面が露出するまで絶縁材料１１を研磨する。
【００２４】
次に、図４（ｂ）において、カソード電極１０と対向電極を用い、電解メッキ法で細孔９に電子放出材料２を埋め込み電界放出電子源を構成する。電子放出材料２としては、コバルト、ニッケル、すず、タングステン、銀、テルル、セレン、マンガン、亜鉛、カドミウム、鉛、クロム、鉄のいずれかから選択可能である。また、微細な細孔９への電子放出材料２の埋め込みは電解メッキ法が好ましく、数１０ｎｍ程度の細孔９に対して十分な充填が可能である。このように、カソード電極１０を電解メッキの際の電極として用いることで、電子放出材料２、すなわち電界放出電子源の選択形成が可能となる。実験結果によると、図４（ｂ）に示すように、細孔９のうち、カソード電極１０上に位置する細孔９０１には電子放出材料２が完全に充填されて電界放出電子源を構成し、カソード電極１０のエッジ部分に位置する細孔９０２では不完全に充填された電子放出材料２０２があり、更に絶縁材料１１上に位置する細孔９０３では電子放出材料が全く充填されない孔のみの構成になった。
【００２５】
次に、図４（ｃ）において、完全に充填した電子放出材料（電界放出電子源）２上にキャップ１２を電解メッキ法により形成する。細孔９の直径が大きく、ゲート電極６の形成が回転斜め蒸着で可能である場合、これ以降の製造方法は不要となり、直ちにゲート電極６の形成が可能である。本実施の形態においては、細孔９の直径が３０ｎｍ程度としているため、キャップ１２を形成した後、ゲート電極６を形成する。キャップ１２は完全に充填した電子放出材料２の細孔９０１部分にのみ形成される。電子放出材料２が不完全に充填されている細孔９０２及び電子放出材料２が存在しない細孔９０３の部分は導電性が悪く、電解メッキができないため、キャップ１２は形成されない。
【００２６】
次に、図５（ｄ）において、短絡防止層７を電子放出領域（画素）１３以外の領域のゲート電極６とカソード電極１０間に形成する。この短絡防止層７は、不完全に充填された電子放出材料２ｂに対する短絡防止が主な役割であり、ゲート電極６とカソード電極１０間の短絡が問題ない場合には省略してもよい。図５（ｄ）のように、短絡防止層７を堆積し、フォトレジストで電子放出領域１３を窓開けし、短絡防止層７をエッチング除去する。エッチング除去した後、フオトレジストは除去する。
【００２７】
次に、図５（ｅ）において、ゲート電極材料６０１を堆積する。ゲート電極材料６０１を堆積すると、キャップ１２上に堆積したゲート電極材料６０１がマスクとなり、ゲート電極材料６０１がキャップ１２の周辺で不連続となる。
【００２８】
最後に、図５（ｆ）において、キャップ１２をリフトオフし、ゲート電極材料６０１からゲート電極６を形成する。すなわち、ゲート電極材料６０１、電子放出基体（ゲート絶縁層）１と選択比が高いエッチャントを用い、キャップ１２を除去すると、ゲート電極６が形成される。このようにして製造した冷陰極構造体２０をガラス基板等の支持基板１５に貼り合わせると、図５（ｆ）のような電界放出型冷陰極Ａが製造される。支持基板１５との貼り合わせは静電接着法が好ましく、電圧を印加し、数百℃の加熱を行うことにより、冷陰極構造体２０と支持基板１５を確実に静電接着できる。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施の形態について図６及び図７を用いて説明する。本実施の形態では、第１の実施の形態とは異なる製造方法により、電界放出型冷陰極を製造する。
【００３０】
まず、図６（ａ）において、ガラス等の絶縁性の支持基板１５上に任意の形状のカソード電極１０を形成する。カソード電極材料としては、後述の陽極酸化を考慮に入れ、アルミニウムとする。カソード電極１０の形状は、上述のように、電界放出型冷陰極Ａを冷陰極ランプ、蛍光表示管、液晶用のバックライト、フィールドェミッションディスプレイのいずれに用いるかで設計されるべきものである。絶縁材料１１を堆積した後、絶縁材料１１を研磨するとカソード電極１０の表面が露出する。
【００３１】
次に、図６（ｂ）において、カソード電極１０を陽極酸化する。本実施の形態においては、アルミニウムを陽極酸化し、陽極酸化皮膜１８中に約３０ｎｍ程度の細孔９を形成する。更に、陽極酸化後、カソード電極（すなわち未酸化のアルミニウム）１０と対向電極を同電位にし、陽極酸化皮膜１８と未酸化のアルミニウムであるカソード電極１０の界面に存在するバリア層を除去する。このようにすると、図６（ｂ）示すように、陽極酸化皮膜１８中の細孔９がカソード電極１０にまで到達する。
【００３２】
次に、図６（ｃ）において、細孔９に電子放出材料２を埋め込み電界放出電子源を構成し、電子放出領域８以外の領域に短絡防止層７を形成する。細孔９への電子放出材料２の埋め込みは、電解メッキ法が好ましく、電子放出材料２としては、第１の実施の形態と同様、コバルト、ニッケル、すず、タングステン、銀、テルル、セレン、マンガン、亜鉛、カドミウム、鉛、クロム、鉄のいずれかを使用する。引き続き、短絡防止層７としての絶縁材料を堆積し、フォトリソグラフィでパターニングして電子放出領域８を形成し、絶縁材料をエッチング除去すると、図６（ｃ）のように、電子放出領域８が開口する。なお、第１実施の形態で説明したように、短絡防止層７が不要な場合は省略してもよい。
【００３３】
次に、図７（ｄ）において、電子放出材料２の上部にキャップ１２を形成する。キャップ１２の形成は、図７（ｃ）での電子放出材料２の埋め込みと同様に電解メッキ法で形成される。
次に、図７（ｅ）において、ゲート電極材料６０１を堆積する。ゲート電極材料６０１を堆積すると、図７（ｅ）に示すように、キャップ１２の上層にゲート電極材料６０１が堆積し、これがマスクとなり、電子放出材料２の周辺でゲート電極材料６０１の堆積が不連続となる。
【００３４】
最後に、図７（ｆ）において、キャップ１２をリフトオフする。図７（ｆ）のように、支持基板１５上に陽極酸化皮膜からなるゲート絶縁層１８と電子放出材料２と、ゲート電極６と、カソード電極１０とが形成された電界放出型冷陰極Ａが得られる。
【００３５】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明の電界放出型冷陰極によれば、電界放出電子源が前記カソード電極上の細孔に対してのみ選択的に形成したので、電界放出電子源を電界放出領域（画素）に高配向状態で、高集積化できると共に、支持基板の材質を任意に選択することができる。
また、本発明の電界放出型冷陰極の製造方法では、支持基板とは独立して冷陰極の形成が可能となり、支持基板の材質を任意に選択することができる。
【００３６】
また、本発明の電界放出型冷陰極の製造方法では、支持基板上に、直接、冷陰極の形成が可能となり、製造工程を簡略化することができる。
したがって、微細加工技術を用いることなく、高集積化した微小な電界放出型冷陰極を製造することができ、ＸＹアドレス可能で、大型化パネルに適用して好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電界放出型冷陰極の平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。
【図４】本発明の電界放出型冷陰極の製造方法の第１の実施の形態の工程断面図（その１）である。
【図５】第１の実施の形態の工程断面図（その２）である。
【図６】本発明の電界放出型冷陰極の製造方法の第２の実施の形態の工程断面図（その１）である。
【図７】第２の実施の形態の工程断面図（その２）である。
【図８】従来の電界放出型冷陰極の製造方法の工程断面図である。
【符号の説明】
１  電子放出基体（ゲート絶縁層）
２  電子放出材料（電界放出電子源）
５  カソード電極
６  ゲート電極
７  短絡防止層
８  電子放出領域（画素）
９  細孔
１０  カソード電極
１２  キャップ
１５  支持基板
【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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