(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲット材及び基板を、予め決められた距離（Ｄ）だけ離して反応室内に配置する工程と、前記ターゲット材にビーム光を照射することにより前記ターゲット材近傍に形成される高温高圧領域が前記基板に接するように、前記反応室に導入する雰囲気ガスの圧力（Ｐ）を調整する工程と、前記反応室に前記圧力で前記雰囲気ガスを導入しながら、前記ターゲット材にビーム光を照射することにより励起し、脱離した前記ターゲット材に含まれる物質を前記基板上に堆積する工程と、を具備し、前記ターゲット材を構成する材料が、Ｉｎ2 Ｏ3 、ＳｎＯ2 、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＷＯ3 、又はＣｕＡｌＯ2 のいずれかの透明導電体であることを特徴とする冷陰極形成方法。
【請求項２】
前記雰囲気ガスの圧力（Ｐ）及び、前記基板と前記ターゲット材との間の距離（Ｄ）は、ＰＤn ＝一定（ｎは２〜３程度）にしたがって調整されることを特徴とする請求項１記載の冷陰極形成方法。
【請求項３】
前記雰囲気ガスが、不活性ガスであることを特徴とする請求項１または２記載の冷陰極形成方法。
【請求項４】
前記雰囲気ガスの圧力が、０．１〜１０Ｔｏｒｒの範囲であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の冷陰極形成方法。
【請求項５】
前記ターゲット材を構成する材料が、少なくとも２種類以上の組成から成ることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の冷陰極形成方法。
【請求項６】
前記ターゲット材を構成する材料が、ＬａＢ6 、ＴｉＣ、ＳｉＣ、及びＳｎＣ等の化合物であることを特徴とする請求項５記載の冷陰極形成方法。
【請求項７】
前記ターゲット材を構成する材料が、ＴｉＮ、ＢＮ、ＳｒＮ、ＺｒＮ、及びＨｆＮに代表される窒化物であることを特徴とする請求項５記載の冷陰極形成方法。
【請求項８】
電子放出部が、請求項１から７のいずれかに記載の方法で形成された、電子放出性材料の結晶配向性薄膜から成る冷陰極から構成されることを特徴とする電子放出素子。
【請求項９】
電子放出部が、請求項１から７のいずれかに記載の方法で形成された、電子放出性材料の結晶配向性薄膜から成り、導電膜または抵抗膜から成る干渉層を介して基板上に形成されていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項１０】
冷陰極を構成する結晶配向性薄膜が、ＬａＢ6 、ＴｉＣ、ＳｉＣ、及びＳｎＣ等の化合物であることを特徴とする請求項８または９記載の電子放出素子。
【請求項１１】
冷陰極を構成する結晶配向性薄膜が、ＴｉＮ、ＢＮ、ＳｒＮ、ＺｒＮ、及びＨｆＮに代表される窒化物であることを特徴とする請求項８または９記載の電子放出素子。
【請求項１２】
請求項８から１１のいずれかに記載の電子放出素子を電子源としたことを特徴とするＣＲＴ。
【請求項１３】
請求項８から１１のいずれかに記載の電子放出素子を電子源としたことを特徴とする平面ディスプレイ。
【請求項１４】
透明基板と、前記透明基板上に、請求項１から７のいずれかに記載の方法で形成された、電子放出性材料の結晶配向性薄膜から成る冷陰極とを備えていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項１５】
透明基板と、前記透明基板上に、請求項１から７のいずれかに記載の方法で形成された、電子放出性材料の結晶配向性薄膜から成り、導電膜または抵抗膜から成る干渉層を介して基板上に形成されていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項１６】
冷陰極を構成する結晶配向性薄膜が、Ｉｎ2 Ｏ3 、ＳｎＯ2 ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＷＯ3 、及びＣｕＡｌＯ2 からなる群より選ばれた透明導電体であることを特徴とする請求項１４または１５記載の電子放出素子。
【請求項１７】
請求項１４から１６のいずれかに記載の電子放出素子を電子源としたことを特徴とする透過型平面ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面型の固体表示素子等への応用が期待される電子放出源に関し、特に、集積化及び低電圧化が実現可能な冷陰極型電子放出素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子放出源としては熱陰極型電子放出素子が多く用いられていたが、熱電極を利用した電子放出は加熱によるエネルギーロスが大きく、予備加熱が必要等の問題を有していた。
【０００３】
これに対し、真空マイクロエレクトロニクス技術の進展とともに、微小な冷陰極構造の形成が可能になったことから、冷陰極型電子放出素子が注目されている。その中でも、局部的に高電界を発生させ電界放出を行わせる、電界効果型の電子放出素子の開発が盛んになりつつある。
【０００４】
第９図は、従来の電界効果型の電子放出素子の一例を示す概略的部分断面図である。本図において、９１はシリコン（Ｓｉ）等の基板、９２は基板９１上に形成されたＳｉＯ2 等の絶縁層、９３は金属層から成る引き出し電極であり、９４はモリブデン（Ｍｏ）等から成る円錐形状の電極である。
【０００５】
以上の構造を有する電子放出素子において、基板９１と引き出し電極９３との間に電圧を印加すると、電界強度の強い電極９４の尖頭部から電子が放出される。
【０００６】
さらに、従来より低い駆動電圧で動作可能な高性能な電子源を実現するために、ＬＳＩ技術を応用してゲート口径の縮小化や急峻な先端を有する陰極の作製等のアプローチが行われている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の電子放出素子は、微少な径を持ちかつ急峻な先端部を有するコーン形状の陰極を備えているために低い電圧での動作は可能であるが、以下に説明するような問題を有している。
【０００８】
まず、電子放出材料としては、電子放出しきい値が低い（電子親和力が小さい）物質が適しており、Ｗ、Ｍｏ等の金属や窒化物、酸化物等が検討されている。しかしながら、従来の作製方法では、高純度なコーン形状の加工が可能な材料は限られていた。
【０００９】
また、電子源を実用化する上で要求される重要な性能の一つに、電子放出安定性、均一性がある。従来例では、陰極の放出電流は、動作時の真空雰囲気や陰極先端部の表面状態に強く影響を受け、電流放出中に電流放出部の表面の物性的性質、例えば仕事関数等が変化してしまい、結果的に動作電流が大幅に変化してしまい、前記要求性能を満たしていなかった。これは、動作中に放出電子が陰極近傍の残留ガスと衝突してイオンを発生させ、このイオンが陰極先端部に衝突することによって陰極先端部の表面状態を変化させて発生すると考えられている。
【００１０】
これらの電流変動を抑制するために、陰極を複数個同時に配列したマルチ電子源として、個々の電子放出変動を平均化して放出電流を安定化させる方法等が提案されているが、従来の電子放出素子では、円錐形状を製造する工程が複雑であり、またその形状のバラツキが大きいため、実用上の大きな課題となっていた。
【００１１】
さらに、このような電界放出型電子源をＣＲＴ用電子源として用いることが検討されているが、ハイビジョンでは、高精細のため電子線を細くしたいが、輝度が落ちるため、輝度と精細度はトレイドオフの関係になるという課題があった。
【００１２】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、簡単な工程で均一にかつ再現性よく陰極表面に微構造を形成し、放出電流値の増大と安定化を図るようにすることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の冷陰極形成方法は、ターゲット材及び基板を反応室内に配置し、前記ターゲット材にビーム光を照射することにより前記ターゲット材近傍に形成される高温高圧領域のサイズが最適となるように、前記反応室に導入する雰囲気ガスの圧力及び、前記基板と前記ターゲット材との間の距離を調整し、前記反応室に前記圧力で前記雰囲気ガスを導入しながら、前記ターゲット材にビーム光を照射することにより励起し、脱離した前記ターゲット材に含まれる物質を前記基板上に堆積して冷陰極を形成する。この構成により、製造工程の簡略化と低コスト化を図ることができるだけでなく、自己整合型結晶構造を得ることができる。
【００１４】
また、本発明の電子放出素子は、電子放出部が、上述の冷陰極形成方法により形成された、電子放出性材料の結晶配向性薄膜から成る冷陰極から構成されている。この構成により、従来より簡単な構成で、電子放出しきい値の低下、放出電流値の増大と安定化を実現するとともに、低コスト化を図ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、ターゲット材及び基板を、予め決められた距離（Ｄ）だけ離して反応室内に配置する工程と、前記ターゲット材にビーム光を照射することにより前記ターゲット材近傍に形成される高温高圧領域が前記基板に接するように、前記反応室に導入する雰囲気ガスの圧力（Ｐ）を調整する工程と、前記反応室に前記圧力で前記雰囲気ガスを導入しながら、前記ターゲット材にビーム光を照射することにより励起し、脱離した前記ターゲット材に含まれる物質を前記基板上に堆積する工程と、を具備し、前記ターゲット材を構成する材料が、Ｉｎ2 Ｏ3 、ＳｎＯ2 、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＷＯ3 、又はＣｕＡｌＯ2 のいずれかの透明導電体であることを特徴とする冷陰極形成方法である。
【００１６】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記雰囲気ガスの圧力（Ｐ）及び、前記基板と前記ターゲット材との間の距離（Ｄ）は、ＰＤn ＝一定（ｎは２〜３程度）にしたがって調整される方法である。
【００１７】
これらの方法によれば、レーザ照射によりターゲットから射出した物質（主に原子・イオン・クラスター）と不活性ガスとの相互作用（衝突、散乱、閉じ込め効果）の最適化により、化学量論組成の保たれた薄膜を自己整合型結晶構造として得ることができる。
【００１８】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記雰囲気ガスが、不活性ガスである方法である。この方法によれば、酸化性ガスを導入することなく冷陰極を形成することができる。
【００１９】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかにおいて、前記雰囲気ガスの圧力が、０．１〜１０Ｔｏｒｒの範囲である方法である。この方法によれば、ターゲット材と同一組成の薄膜を好適に形成することができる。
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の冷陰極形成方法において、前記ターゲット材を構成する材料が、少なくても２種類以上の組成から成る方法である。
【００２０】
ここで、ターゲット材を構成する材料は、請求項６記載のように、ＬａＢ6 、ＴｉＣ、ＳｉＣ、及びＳｎＣ等の化合物であることが好ましい。あるいは、請求項７記載のように、ＴｉＮ、ＢＮ、ＳｒＮ、ＺｒＮ、及びＨｆＮに代表される窒化物であってもよい。
【００２１】
本発明の請求項８に記載の発明は、電子放出部が、請求項１から７のいずれかに記載の方法で形成された、電子放出性材料の結晶配向性薄膜から成る冷陰極から構成されることを特徴とする電子放出素子である。この構成により、従来より簡単な構成で、電子放出しきい値の低下、放出電流値の増大と安定化を実現するとともに、低コスト化を図ることができる。
【００２２】
本発明の請求項９に記載の発明は、電子放出部が、請求項１から７のいずれかに記載の方法で形成された、電子放出性材料の結晶配向性薄膜から成り、導電膜または抵抗膜から成る干渉層を介して基板上に形成されていることを特徴とする電子放出素子である。この構成により、従来より簡単な構成で、電子放出しきい値の低下、放出電流値の増大と安定化を実現するとともに、低コスト化を図ることができる。
【００２３】
ここで、冷陰極を構成する結晶配向性薄膜は、請求項１０記載のように、ＬａＢ6 、ＴｉＣ、ＳｉＣ、及びＳｎＣ等の化合物であることが好ましい。あるいは、請求項１１記載のように、ＴｉＮ、ＢＮ、ＳｒＮ、ＺｒＮ、及びＨｆＮに代表される窒化物であってもよい。
【００２４】
本発明の請求項１２に記載の発明は、請求項８から１１のいずれかに記載の電子放出素子を電子源としたことを特徴とするＣＲＴである。この構成により、高輝度かつ高精細なハイビジョン用ＣＲＴが可能となる。
【００２５】
本発明の請求項１３に記載の発明は、請求項８から１１のいずれかに記載の電子放出素子を電子源としたことを特徴とする平面ディスプレイである。この構成により、平面ディスプレイの低コスト化を図ることができる。
【００２６】
本発明の請求項１４に記載の発明は、透明基板と、前記透明基板上に、請求項１から７のいずれかに記載の方法で形成された、電子放出性材料の結晶配向性薄膜から成る冷陰極とを備えている電子放出型素子である。
【００２７】
本発明の請求項１５に記載の発明は、透明基板と、前記透明基板上に、請求項１から７のいずれかに記載の方法で形成された、電子放出性材料の結晶配向性薄膜から成り、導電膜または抵抗膜から成る干渉層を介して基板上に形成されている電子放出型素子である。
【００２８】
ここで、冷陰極を構成する結晶配向性薄膜は、請求項１６記載のように、Ｉｎ2 Ｏ3 、ＳｎＯ2 、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＷＯ3 、及びＣｕＡｌＯ2 からなる群より選ばれた透明導電体であることが望ましい。
【００２９】
本発明の請求項１７に記載の発明は、請求項１４から１６のいずれかに記載の電子放出素子を電子源としたことを特徴とする透過型平面ディスプレイである。この構成により、高輝度かつ高精細な透過型平面ディスプレイの実現が可能となる。
【００３０】
（実施の形態１）
以下、本発明の電子放出素子及びその形成方法を、図１から図５を用いて詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本発明の電子放出素子の構造を示す断面図である。図１において、１１はＳｉ等の基板、１２は基板１１上に形成されたＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 等の酸化膜の絶縁層、１３はＭｏ等の金属層から成る引き出し電極であり、１４は開口部の基板１１の上に形成された結晶配向性薄膜である。この結晶配向性薄膜１４は、電子放出性材料から構成することにより、基板１１と引き出し電極１３との間に電圧を印加することにより、容易に電子を放出する。この電子放出は、方向の揃った微細構造部分から行われるため、マルチソースでありかつ電子の方向性が揃った冷陰極となる。この結果、電流密度を増大させるとともに、安定化することができ、たとえば、高輝度かつ高精細を要求されるハイビジョン用電子源等として用いることができる。
【００３２】
次に、図１に示した電界放出素子において、冷陰極となる結晶配向性薄膜の形成方法について説明する。本実施の形態では、希ガス（Ａｒ，Ｈｅ等）雰囲気中におけるレーザアブレーションを用いて基板上に酸化物透明導電体薄膜を堆積させる。なお、レーザアブレーション法とは、高いエネルギー密度（パルスエネルギー：１．０Ｊ／ｃｍ2 程度又はそれ以上）のレーザ光をターゲット材に照射し、被照射ターゲット材表面を溶融・脱離させる方法である。
【００３３】
この方法の特徴は、非熱平衡性及び無質量性プロセスであることにある。非熱平衡性における具体的効果としては、空間的・時間的選択励起が可能であることが挙げられる。特に、空間的選択励起性を有することから、従来の熱プロセスやプラズマプロセスにおいては反応槽のかなり広い領域あるいは全体が熱やイオンに晒されるのに対し、必要な物質源のみを励起することができるので、不純物混入が抑制されたクリーンなプロセスとなる。また、無質量性とは、同じ非熱平衡性のイオンプロセスに比較して、格段な低ダメージ性であることを意味する。レーザアブレーションにおける脱離物質は、主にイオン及び中性粒子である原子・分子・クラスター（数個から数十個程度の原子から構成される）であり、その運動エネルギーは、イオンで数十ｅＶ、中性粒子の場合は数ｅＶのレベルに達する。これは、加熱蒸発原子よりはるかに高エネルギーであるが、イオンビームよりはるかに低エネルギーの領域である。
【００３４】
このようにクリーンでダメージの少ないレーザアブレーションプロセスは、不純物の混入・組成・結晶性等が制御された薄膜の作製に適している。また、このレーザアブレーションプロセスは、レーザ光の透過性により、種々のガス種、広い範囲のガス圧条件下での成膜が可能である。さらに、この特性は融点・蒸気圧にあまり依存しないので、レーザアブレーションプロセスは、従来の熱平衡プロセス技術では困難とされていた、融点・蒸気圧の異なる材料を同時に処理（蒸発・堆積）することによる多元系材料の成膜への適用が可能である。
【００３５】
なお、レーザアブレーション法を用いて薄膜形成を行うためには、ターゲット材料が、光源であるレーザ光の波長域で吸収があることが望ましい。一般に、酸化物透明導電体材料は、バンドギャップエネルギーが３ｅＶ程度以上であるため、光源として、エキシマレーザあるいはＹＡＧレーザの高調波を用いることが望ましい。
【００３６】
図２は、本発明の冷陰極形成方法に使用する薄膜形成装置を示す図である。ここでは、酸化物透明導電体ターゲットを用いてレーザアブレーションを行うことにより、均質な酸化物透明導電体薄膜を形成する場合について説明する。
【００３７】
図２（ａ）において、１０１はターゲットが配置される金属製の反応室を示す。反応室１０１の底部には、反応室１０１内の空気を排気して反応室１０１内を超真空にする超真空排気系１０２が設けられている。反応室１０１には、反応室１０１へ雰囲気ガスを供給するガス導入ライン１０４が取り付けられている。このガス導入ライン１０４には、反応室１０１へ供給する雰囲気ガスの流量を制御するマスフローコントローラ１０３が取り付けられている。また、反応室１０１の底部には、反応室１０１内の雰囲気ガスを排気するガス排気系１０５が設けられている。
【００３８】
反応室１０１内には、ターゲット１０７を保持するターゲットホルダー１０６が配置されている。このターゲットホルダー１０６には、回転シャフトが取り付けられており、この回転シャフトが図示しない回転制御部の制御で回転することにより、ターゲット１０７が回転するようになっている。このターゲット１０７の表面に対向するようにして堆積基板１０９が配置されている。この堆積基板１０９には、レーザ光の照射により励起されたターゲット１０７から脱離・射出された物質が堆積される。なお、ここでは、ターゲットとして、Ｉｎ2 Ｏ3 多結晶焼結体ターゲットを用いる。
【００３９】
反応室１０１の外側には、ターゲット１０７にエネルギービームとしてのレーザ光を照射するパルスレーザ光源１０８が配置されている。反応室１０１の上部には、レーザ光を反応室１０１内に導入するレーザ導入窓１１０が取り付けられている。パルスレーザ光源１０８から出射したレーザ光の光路上には、レーザ光源１０８から近い順にスリット１１１，レンズ１１２，及び反射鏡１１３が配置されており、パルスレーザ光源１０８から出射したレーザ光がスリット１１１により整形され、レンズ１１２で集光され、反射鏡１１３で反射されて、レーザ導入窓１１０を通って反応室１０１内に設置されたターゲット１０７に照射されるようになっている。
【００４０】
上記構成を有する薄膜製造装置における動作について説明する。反応室１０１の内部を、ターボ分子ポンプを主体とする超高真空排気系１０２により到達真空１．０×１０-9Ｔｏｒｒ程度まで排気した後、マスフローコントローラ１０３を経由して、ガス導入ライン１０４より、Ｈｅガスの導入を行う。ここで、ドライロータリーポンプもしくは高圧用ターボ分子ポンプを主体としたガス排気系１０５の動作と連動することにより、反応室１０１内の希ガス圧力を、０．１〜１０Ｔｏｒｒ程度の範囲の一圧力値に設定する。
【００４１】
この状態で、自転機構を有するターゲットホルダー１０６に配置された、純度：４ＮのＩｎ2 Ｏ3 多結晶焼結体ターゲット１０７の表面に対して、パルスレーザ光源１０８からレーザ光を照射する。ここでは、アルゴン弗素（ＡｒＦ）エキシマレーザ（波長：１９３ｎｍ、パルス幅：１２ｎｓ、エネルギー密度：１Ｊ／ｃｍ2 、繰返し周波数：１０Ｈｚ）を用いた。このとき、Ｉｎ2 Ｏ3 ターゲット１０７表面では、レーザアブレーション現象が発生し、Ｉｎ，Ｏ，ＩｎＯ，Ｉｎ2 Ｏ3 等のイオンあるいは中性粒子（原子、分子、クラスター）が脱離し、当初はイオンで５０ｅＶ、中性粒子で５ｅＶのオーダーの運動エネルギーを有し、主にターゲット法線方向に分子、クラスターレベルの大きさを維持して、射出して行く。そして、脱離物質は、雰囲気希ガス原子と衝突することにより、飛行方向が乱雑になるとともに、運動エネルギーが雰囲気に散逸され、約３ｃｍ離れて対向した堆積基板１０９上に均質な薄膜として堆積する。なお、基板、ターゲット温度とも積極的な制御は行っていない。
【００４２】
ここでは、雰囲気ガスとして、Ｈｅガスを用いているが、Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｎ2 等の他の不活性ガスを用いてもよい。この場合、気体密度がＨｅガスの場合と同等になるように圧力を設定すればよい。例えば、雰囲気ガスとしてＡｒ（気体密度：１．７８ｇ／ｌ）を用いる場合には、Ｈｅ（気体密度：０．１８ｇ／ｌ）を基準とすると０．１倍程度の圧力に設定すればよい。
【００４３】
或いは、希ガス（Ａｒ、Ｈｅ等）と酸化性ガス（Ｏ2 ，Ｏ3 ，Ｎ2 Ｏ，ＮＯ2 等）の混合ガスを用いてもよい。この場合、酸化性ガスの混入割合は、５０容量％以下で希ガスに対して混入すればよく、雰囲気ガスの平均気体密度がＨｅ希釈Ｏ2 ガスの場合と同等になるように圧力を設定すればよい。
上記の方法により雰囲気ガスであるＨｅガスの圧力を変えながら堆積基板に形成した酸化インジウム薄膜について、Ｘ線回折測定および電子顕微鏡観察による結晶性評価を行った。
【００４４】
図３に、各堆積薄膜の電子顕微鏡観察写真を示す。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、Ｈｅガス圧：０．５Ｔｏｒｒ、２．０Ｔｏｒｒ、５．０Ｔｏｒｒで堆積した薄膜である。（ａ）では微粒子状になって堆積しているのに対し、（ｂ）では突起部を有する自己整合型結晶構造が得られている。一方、（ｃ）では、微結晶の集合体となっている。
【００４５】
図４に、各堆積薄膜のＸ線回折測定結果を示す。Ｈｅガス圧：０．５Ｔｏｒｒ以下で形成したサンプルでは、回折角：３３°付近にブロードなピークが観測される。このピーク位置はＩｎ結晶の（１０１）面に対応するが、半値全幅が広いことから、アモルファス構造あるいは微粒子の凝集体となっていると考えられる。一方、Ｈｅガス圧：１．０Ｔｏｒｒ及び２．０Ｔｏｒｒで形成したサンプルでは、Ｉｎ2 Ｏ3 結晶構造に対応した４つの回折ピークが観測され、特に（４００）配向性が高くなっている。また、Ｈｅガス圧：５．０Ｔｏｒｒで形成したサンプルでは、７つの回折ピークが観測されており、各ピークの強度比が、粉末標準試料における各ピークの強度比と同様であることから、配向性の無い構造となっていることがわかる。
【００４６】
以上の結果は、本実施の形態の薄膜形成方法による酸化物薄膜作製において、酸素を含有しない不活性ガスを用いても、その雰囲気ガス圧の制御により酸素欠損のない酸化物薄膜を形成できたことを示している。換言すれば、レーザ照射によりターゲットから射出した物質（主に原子・イオン・クラスター）と不活性ガスとの相互作用（衝突、散乱、閉じ込め効果）の最適化により、化学量論組成の保たれた結晶配向性酸化物薄膜の形成が可能であることを示している。
【００４７】
ここで、さらに、レーザアブレーションにおける雰囲気ガスの効果について考察を行う。レーザ照射によりターゲット表面から射出した物質は、ターゲット組成を保ったまま蒸気化されず、主に原子・イオンの状態で直進性を保って伝播していく。しかしながら、雰囲気ガスが存在すると、衝突により散乱したりエネルギーを奪われ、薄膜形成における空間分布、堆積速度、堆積物質の運動エネルギーの分布等に変化を生じさせる。これらの変化は射出物質の種類、運動エネルギーにより異なり、一般に、重い物質（ここではＩｎ）の方が散乱を受けにくいため、ガス雰囲気中でのレーザアブレーションにおいても直進性を保つと考えられる。その結果、低ガス圧で薄膜形成を行った場合、散乱を受けやすく蒸気圧も高い酸素が欠損した状態で基板に到達する。
【００４８】
ターゲットから射出された原子やイオンは、最初はそれぞれ異なる速度で進むが、雰囲気ガス圧が高くなると、雰囲気ガスとの衝突・散乱を多く受けることにより、その速度は均一化されつつ遅くなっていく。その結果、図２（ｂ）に示すように、射出物質はプルーム１１４内に閉じ込められて、低ガス圧で生じていた酸素抜けが抑えられることになる。希ガス雰囲気中でのレーザアブレーションにおいては、堆積薄膜中の酸素はターゲットから射出された酸素のみから供給されるため、この効果は重要である。
【００４９】
しかしながら、Ｈｅガス雰囲気中で堆積した薄膜における結晶構造の急激な変化は、酸素の空間的閉じ込めによる酸素供給量の増加だけでは説明できない。
【００５０】
高圧ガス雰囲気中でレーザアブレーションを行うと、雰囲気ガスが圧縮され、その圧力と温度が上昇してショックフロントが形成される。そこで、酸化物形成におけるショックフロントの影響を考察する。圧力の増加は、体積及びモル数の減少をもたらす反応であるＩｎ2 Ｏ3 の形成を促進する。温度の上昇は、射出物質の励起を熱的に促進する。しかしながら、温度の上昇はＩｎ2 Ｏ3 の生成エネルギーを増加する方向にも働くため、Ｉｎ2 Ｏ3 の形成が妨げられることになる。ショックフロントが前進してターゲットからの距離が増加するとともに、圧力と温度は減少していく。また、生成エネルギーは温度の減少とともに低くなる。以上の結果、高圧状態と、生成エネルギーが十分に低い条件が満たされる高温状態が同時に実現された領域が、ターゲットからある距離のところで形成され、この領域内で酸化反応が促進される。すなわち、この気相中の酸化促進領域で、化学量論組成の保たれたＩｎ2 Ｏ3 が形成され、基板上で透明薄膜が得られると考えられる。
【００５１】
さらに、結晶性については、従来の製造方法で常温でガラス基板上に作製した薄膜は、アモルファス構造となっている。これに対し、本実施の形態では、常温で合成石英基板上に形成した薄膜において結晶性Ｉｎ2 Ｏ3 薄膜が得られている。また、配向性については、Ｈｅガス圧：１．０〜２．０Ｔｏｒｒでは強い配向性が見られたのに対し、５．０Ｔｏｒｒでは配向性の無い構造となった。この結果は、ショックフロントにより形成された酸化促進領域と堆積基板の位置関係により以下のように説明できる（図５参照）。
【００５２】
すなわち、気相中の酸化促進領域において、酸化反応が促進されてＩｎ2 Ｏ3 の結晶核が生成された後、さらなる飛行に伴い急激に冷やされて微結晶に成長する。この酸化促進領域に接するように堆積基板が配置されていると、基板表面が活性領域となり、気相で生成された結晶核が基板上でのマイグレーションを伴うことで配向して結晶化すると考えられる。一方、堆積基板がこの酸化促進領域の外に配置されていると、気相中で大きく成長した微結晶が凝集しつつ基板に到達するため、配向性を持たない構造になる。本実施の形態におけるプロセス条件では、Ｈｅガス圧：１．０〜２．０Ｔｏｒｒ程度の場合に、堆積基板がショックフロントにより形成された酸化促進領域に接するような配置になっていると考えられる。
【００５３】
以上のように、レーザアブレーションにおいては、雰囲気ガス圧（Ｐ）とターゲット−基板間距離（Ｄ）の間に相関関係がある。レーザ照射によりターゲットから射出した物質はプルームと呼ばれるプラズマ状態を形成する。このプルームは雰囲気ガスとの衝突の影響を受けるため、プルームの大きさはガス圧依存性を有し、ガス圧が高いほどその大きさは小さくなる。
【００５４】
一方、化学量論組成の保たれた配向性薄膜を得るには、プルーム内に形成される上述の酸化促進領域が基板に接するような条件とすることが望ましい。具体的には、本実施の形態では、Ｄ＝３ｃｍとしており、この場合にはＰ＝１．０Ｔｏｒｒ程度で配向性薄膜が得られている。Ｄをさらに大きくする場合には、プルームを大きくする、すなわちガス圧を低くすればよい。さらに、堆積薄膜の膜質は、ターゲットからの射出物質が堆積基板に到達する時の速度に大きく依存する。このため、同様の膜質を得るには、上記速度が一定になるプロセス条件として、ＰＤn ＝一定
という相関関係があり、このｎの値は２〜３程度とされている。したがって、例えば、Ｄを２倍にした場合には、対応するガス圧を１／４〜１／８程度とすればよい。
【００５５】
このように、本実施の形態の冷陰極形成方法では、蒸気圧が高い元素（ここでは酸素）を含む材料で構成されたターゲット材を用いてレーザアブレーションを行う場合において、蒸気圧が高い元素が抜けることにより化学量論組成がくずれてしまうことを防止するために、雰囲気ガスに蒸気圧が高い元素を含むガスを用いて蒸気圧が高い元素を補う方法ではなく、雰囲気ガス圧と、ターゲットと堆積基板との間の距離とを調整して適切な大きさのプルームを形成させることにより化学量論組成の保たれた結晶配向性薄膜を形成する。すなわち、適切な大きさのプルーム内で蒸気圧の高い元素の抜けを防止して、堆積基板上にターゲット材とほぼ同じ組成の薄膜を形成する。適切な大きさのプルームとは、上述したように、プルーム内に形成される酸化促進領域が堆積基板１０９の表面に接する程度の大きさである。したがって、本実施の形態に係る冷陰極形成方法では、このような適切な大きさのプルームが形成されるために十分な雰囲気ガス圧及びターゲット−堆積基板間距離を適宜設定する。
【００５６】
この方法を利用すると、雰囲気ガスの圧力を調整して、すなわちターゲット材からの脱離物質と雰囲気ガス原子との間の衝突回数を調整して、プルーム内に形成される高温高圧領域に閉じ込められる蒸気圧の高い元素の割合を制御することにより、形成する薄膜の結晶状態や欠損等を制御することが可能となる。
【００５７】
さらに、形成直後の薄膜は、結晶性が悪い、欠陥が存在する等の問題を生じることがある。このような場合には、結晶性、純度等の膜質向上のために、薄膜を酸素雰囲気中で酸化したり、窒素雰囲気中で熱処理をすることも有効である。
【００５８】
以上述べてきたように、本実施の形態の冷陰極形成方法により、Ｏ2 ガスの導入や基板加熱を必要とすることなく、化学量論組成の保たれた結晶配向性酸化物薄膜を形成することができた。したがって、この方法を用いれば、冷陰極を形成する基板材料が限定されることも無く、製造工程の簡略化と低コスト化を図ることができる。
【００５９】
さらに、上記により形成された冷陰極において、真空度１０-6ＴｏｒｒでＭｏ金属層１３と結晶配向性薄膜１４の間で１０Ｖ／μｍ程度の電圧を印可し、垂直方向３ｍｍ程度離した位置に被照射体を置いたところ、１ｍＡ／ｃｍ2 程度の安定な電子放出を確認した。この結果は、形成された冷陰極が、図３（ｂ）に示したように、複数の突起体を自己整合的に形成しており、これに電圧を印加した結果、高電界強度がそれぞれの突起体にかかることにより、電子放出しきい値が低下するとともに、全体として放出電流値の増大と安定化を図ることができたと考えられる。
【００６０】
なお、以上の説明では、二元系の酸化物透明導電体薄膜である、Ｉｎ2 Ｏ3 薄膜を用いた冷陰極形成方法について述べたが、冷陰極材料としては、ＳｎＯ2 、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＷＯ3 、及びＣｕＡｌＯ2 のいずれかの透明導電体を用いることも可能である。
【００６１】
また、本実施の形態に係る方法は、透明導電体に限らず、冷陰極材料に適している、電子放出しきい値が低い（電子親和力が小さい）物質にも同様に適用することができる。特に、従来の熱平衡プロセス技術では困難とされていた、融点・蒸気圧の異なる材料を同時に処理（蒸発・堆積）することによる多元系材料の成膜への適用が可能である。このような物質としては、ＬａＢ6 、ＴｉＣ、ＳｉＣ、及びＳｎＣ等の化合物や、ＴｉＮ、ＢＮ、ＳｒＮ、ＺｒＮ、及びＨｆＮに代表される窒化物等がある。さらに、電子放出性材料として、従来プロセスでは酸化されやすく突起状の加工も難しい金属材料（Ｗ、Ｍｏ等）を用いる場合でも、高純度のターゲットを用いて、自己整合的に高純度の突起形状を形成することができる。
【００６２】
以上のように、本実施の形態の電子放出素子において、電子放出は方向の揃った微細構造部分から行われるため、マルチソースでありかつ電子の方向性が揃った冷陰極となる。したがって、ＣＲＴ用電子源に応用した場合、従来のＣＲＴ用電子源において必要であった、電子を加速・集束させるための電子銃の構造を簡素化することもでき、ＣＲＴの薄型化を図ることができる。さらに、電子源の電流密度を増大させるとともに、安定化することができることから、高輝度かつ高精細を要求されるハイビジョン用ＣＲＴの電子源等として用いることもできる。
【００６３】
（実施の形態２）
以下、本発明の他の電子放出素子及びその形成方法を、図６を用いて詳細に説明する。  図６は、本発明の電子放出素子の構造を示す断面図である。図６において、６１はＳｉ等の基板、６２は基板６１上に形成されたＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 等の酸化膜の絶縁層、６３はＭｏ等の金属層から成る引き出し電極であり、６４は開口部の基板６１の上に形成された、導電膜あるいは抵抗膜から成る干渉層、６５は干渉層６４の上に形成された結晶配向性薄膜である。
【００６４】
以上の構成において、結晶配向性薄膜６５は、電子放出性材料から構成することにより、基板６１と引き出し電極６３との間に電圧を印加することにより、容易に電子を放出する。この電子放出は、方向の揃った微細構造部分から行われるため、マルチソースでありかつ電子の方向性が揃った冷陰極となる。ここで、結晶配向性薄膜６５を干渉層６４を介して形成する際に、電子放出部先端が引き出し電極とほぼ同面位置になるように、それぞれの膜厚を調整することにより、電界強度を高くする、すなわち、電子放出開始電圧を低減することができる。また、干渉層を抵抗膜で構成することにより、より電流を安定化することが可能となる。さらに、結晶配向性薄膜を形成する下地である干渉層を、結晶配向性薄膜と同様の配向性を有する導電膜あるいは抵抗膜としておくことにより、その上に形成する薄膜の結晶化が促進され、電子放出部の先端形状を安定化することができる。
【００６５】
以上の結果、電流密度を増大させるとともに、安定化することができ、たとえば、高輝度かつ高精細を要求されるハイビジョン用電子源等として用いることができる。
【００６６】
次に、図６に示した電界放出素子において、冷陰極となる結晶配向性薄膜の形成方法について説明する。本実施の形態では、基板上に干渉層を形成した後、希ガス（Ａｒ，Ｈｅ等）雰囲気中におけるレーザアブレーションを用いて、電子放出性材料である金属窒化物薄膜を堆積させる。
【００６７】
ここでは、実施の形態１で述べた、図２に示した薄膜形成装置を用い、金属窒化物ターゲットを用いてレーザアブレーションを行うことにより、均質な金属窒化物薄膜を形成する場合について説明する。
【００６８】
図２に示した薄膜製造装置において、まず、反応室１０１の内部を、ターボ分子ポンプを主体とする超高真空排気系１０２により到達真空１．０×１０-9Ｔｏｒｒ程度まで排気した後、マスフローコントローラ１０３を経由して、ガス導入ライン１０４より、Ｈｅガスの導入を行う。ここで、ドライロータリーポンプもしくは高圧用ターボ分子ポンプを主体としたガス排気系１０５の動作と連動することにより、反応室１０１内の希ガス圧力を、０．１〜１０Ｔｏｒｒ程度の範囲の一圧力値に設定する。
【００６９】
この状態で、自転機構を有するターゲットホルダー１０６に配置された、純度：４ＮのＴｉＮ多結晶焼結体ターゲット１０７の表面に対して、パルスレーザ光源１０８からレーザ光を照射する。ここでは、アルゴン弗素（ＡｒＦ）エキシマレーザ（波長：１９３ｎｍ、パルス幅：１２ｎｓ、エネルギー密度：１Ｊ／ｃｍ2 、繰返し周波数：１０Ｈｚ）を用いた。このとき、ＴｉＮターゲット１０７表面では、レーザアブレーション現象が発生し、Ｔｉ，Ｎ，ＴｉＮ等のイオンあるいは中性粒子（原子、分子、クラスター）が脱離し、当初はイオンで５０ｅＶ、中性粒子で５ｅＶのオーダーの運動エネルギーを有し、主にターゲット法線方向に分子、クラスターレベルの大きさを維持して、射出して行く。そして、脱離物質は、雰囲気希ガス原子と衝突することにより、飛行方向が乱雑になるとともに、運動エネルギーが雰囲気に散逸され、約３ｃｍ離れて対向した堆積基板１０９上に均質な薄膜として堆積する。なお、基板、ターゲット温度とも積極的な制御は行っていない。
【００７０】
ここでは雰囲気ガスとして、Ｈｅガスを用いているが、Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ等の他の不活性ガスを用いてもよい。この場合、気体密度がＨｅガスの場合と同等になるように圧力を設定すればよい。例えば、雰囲気ガスとしてＡｒ（気体密度：１．７８ｇ／ｌ）を用いる場合には、Ｈｅ（気体密度：０．１８ｇ／ｌ）を基準とすると０．１倍程度の圧力に設定すればよい。
【００７１】
あるいは、希ガス（Ａｒ、Ｈｅ等）と窒化性ガス（Ｎ2 ，ＮＨ3 等）の混合ガスを用いてもよい。この場合、窒化性ガスの混入割合は、５０容量％以下で希ガスに対して混入すればよく、雰囲気ガスの平均気体密度がＨｅ希釈Ｎ2 ガスの場合と同等になるように圧力を設定すればよい。
【００７２】
上記の方法により雰囲気ガスであるＨｅガスの圧力を変えながら堆積基板に形成した窒化チタン薄膜について、Ｘ線回折測定および電子顕微鏡観察による結晶性評価を行った結果、突起部を有する自己整合型結晶構造が得られていた。
【００７３】
以上の結果は、本実施の形態の薄膜形成方法による窒化物薄膜作製において、窒素を含有しない不活性ガスを用いても、その雰囲気ガス圧の制御により組成ずれのない窒化物薄膜を形成できたことを示している。換言すれば、実施の形態１で図５を用いて説明したように、レーザ照射によりターゲットから射出した物質（主に原子・イオン・クラスター）と不活性ガスとの相互作用（衝突、散乱、閉じ込め効果）の最適化により、化学量論組成の保たれた結晶配向性窒化物薄膜が形成されたと考えられる。
【００７４】
さらに、実施の形態１で述べたように、レーザアブレーションにおいては、雰囲気ガス圧（Ｐ）とターゲット−基板間距離（Ｄ）の間に相関関係がある。レーザ照射によりターゲットから射出した物質はプルームと呼ばれるプラズマ状態を形成する。このプルームは雰囲気ガスとの衝突の影響を受けるため、プルームの大きさはガス圧依存性を有し、ガス圧が高いほどその大きさは小さくなる。
【００７５】
一方、化学量論組成の保たれた配向性薄膜を得るには、プルーム内に形成される上述の窒化促進領域が基板に接するような条件とすることが望ましい。具体的には、本実施の形態では、Ｄ＝３ｃｍとしており、この場合にはＰ＝１．０Ｔｏｒｒ程度で配向性薄膜が得られている。Ｄをさらに大きくする場合には、プルームを大きくする、すなわちガス圧を低くすればよい。さらに、堆積薄膜の膜質は、ターゲットからの射出物質が堆積基板に到達する時の速度に大きく依存する。このため、同様の膜質を得るには、上記速度が一定になるプロセス条件として、ＰＤn ＝一定
という相関関係があり、このｎの値は２〜３程度とされている。したがって、例えば、Ｄを２倍にした場合には、対応するガス圧を１／４〜１／８程度とすればよい。
【００７６】
このように、本実施の形態の冷陰極形成方法では、蒸気圧が高い元素（ここでは窒素）を含む材料で構成されたターゲット材を用いてレーザアブレーションを行う場合において、蒸気圧が高い元素が抜けることにより化学量論組成がくずれてしまうことを防止するために、雰囲気ガスに蒸気圧が高い元素を含むガスを用いて蒸気圧が高い元素を補う方法ではなく、雰囲気ガス圧と、ターゲットと堆積基板との間の距離とを調整して適切な大きさのプルームを形成させることにより化学量論組成の保たれた結晶配向性薄膜を形成する。すなわち、適切な大きさのプルーム内で蒸気圧の高い元素の抜けを防止して、堆積基板上にターゲット材とほぼ同じ組成の薄膜を形成する。適切な大きさのプルームとは、上述したように、プルーム内に形成される窒化促進領域が堆積基板１０９の表面に接する程度の大きさである。したがって、本実施の形態に係る冷陰極形成方法では、このような適切な大きさのプルームが形成されるために十分な雰囲気ガス圧及びターゲット−堆積基板間距離を適宜設定する。
【００７７】
この方法を利用すると、雰囲気ガスの圧力を調整して、すなわちターゲット材からの脱離物質と雰囲気ガス原子との間の衝突回数を調整して、プルーム内に形成される高温高圧領域に閉じ込められる蒸気圧の高い元素の割合を制御することにより、形成する薄膜の結晶状態や欠損等を制御することが可能となる。
【００７８】
さらに、形成直後の薄膜は、結晶性が悪い、欠陥が存在する等の問題を生じることがある。このような場合には、結晶性、純度等の膜質向上のために、薄膜を窒素雰囲気中で窒化したり、不活性ガス雰囲気中で熱処理をすることも有効である。
【００７９】
以上述べてきたように、本実施の形態の冷陰極形成方法により、反応性ガスの導入や基板加熱を必要とすることなく、化学量論組成の保たれた結晶配向性窒化物薄膜を形成することができた。したがって、この方法を用いれば、冷陰極を形成する基板材料が限定されることも無く、製造工程の簡略化と低コスト化を図ることができる。
【００８０】
さらに、上記により形成された冷陰極において、真空度１０-6ＴｏｒｒでＭｏ金属層６３と結晶配向性薄膜６５の間で１０Ｖ／μｍ程度の電圧を印可し、垂直方向３ｍｍ程度離した位置に被照射体を置いたところ、２ｍＡ／ｃｍ2 程度の安定な電子放出を確認した。この結果は、形成された冷陰極が複数の突起体を自己整合的に形成しており、さらに、電子放出部先端が引き出し電極とほぼ同面位置になるように調整されているため、これに電圧を印加した結果、高電界強度が効率的にそれぞれの突起体にかかることにより、電子放出しきい値が低下するとともに、全体として放出電流値の増大と安定化を図ることができたと考えられる。
【００８１】
なお、以上の説明では、二元系の金属窒化物薄膜であるＴｉＮ薄膜を用いた冷陰極形成方法について述べたが、冷陰極材料としては、ＢＮ、ＳｒＮ、ＺｒＮ、及びＨｆＮ等の他の窒化物を用いることも可能である。
【００８２】
また、本実施の形態に係る方法は、窒化物に限らず、冷陰極材料に適している、電子放出しきい値が低い（電子親和力が小さい）物質にも同様に適用することができる。特に、従来の熱平衡プロセス技術では困難とされていた、融点・蒸気圧の異なる材料を同時に処理（蒸発・堆積）することによる多元系材料の成膜への適用が可能である。このような物質としてはＬａＢ6 、ＴｉＣ、ＳｉＣ、及びＳｎＣ等の化合物や、Ｉｎ2 Ｏ3 、ＳｎＯ2 、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＷＯ3 、及びＣｕＡｌＯ2 等の透明導電体等がある。さらに、電子放出性材料として、従来プロセスでは酸化されやすく突起状の加工も難しい金属材料（Ｗ、Ｍｏ等）を用いる場合でも、高純度のターゲットを用いて、自己整合的に高純度の突起形状を形成することができる。
【００８３】
以上のように、本実施の形態の電子放出素子において、電子放出は方向の揃った微細構造部分から行われるため、マルチソースでありかつ電子の方向性が揃った冷陰極となる。したがって、ＣＲＴ用電子源に応用した場合、従来のＣＲＴ用電子源において必要であった、電子を加速・集束させるための電子銃の構造を簡素化することもでき、ＣＲＴの薄型化を図ることができる。さらに、電子源の電流密度を増大させるとともに、安定化することができることから、高輝度かつ高精細を要求されるハイビジョン用ＣＲＴの電子源等として用いることもできる。
【００８４】
（実施の形態３）
以下、本発明の電子放出素子を電子源とした平面ディスプレイについて、図７を用いて詳細に説明する。
【００８５】
図７は、本発明の平面ディスプレイの構造を示す断面図である。図７において、７１はＳｉ基板、７２は基板７１上に形成された冷陰極であり、実施の形態１で述べた、図１に示した電子放出性材料から成る結晶配向性薄膜で構成されている。７３は第一絶縁膜、７４は第一ゲート電極、７５は第二絶縁膜、７６は第二ゲート電極である。第一ゲート電極７４と第２ゲート電極７６はそれぞれ直交するラインとなるようなマトリクスに形成され、端部はフリットシールを通って外部回路とつながれており、このラインの交点が画素を構成する。７７は蛍光体層、７８はアノードとなる透明導電膜、７９は透明な面板である。面板７９とＳｉ基板７１は、不図示の隔壁板によって例えば２００μｍのギャップを確保し、端部でフリットガラスにより接着され、内部が高真空に保たれる構造となっている。
【００８６】
以上の構成において、その動作について説明する。透明導電膜７８に、Ｓｉ基板７１に対して例えば４００Ｖ程度の電圧を加えてアノードとする。そして、第一ゲート電極７４と第二ゲート電極７６の両方に例えば６０Ｖ程度の電圧を加えると、冷陰極７２が電子放出性材料の結晶配向性薄膜から構成されているため、図７に示すように電子を放出する。放出された電子は、透明導電膜７８の電圧による電界により透明導電膜７８に向かって真空に保持された内部を進行し、対向して設置された蛍光体層７７の蛍光体を励起し、可視発光を生じさせる。この光は、面板７９を通して外部に放出されることになる。
【００８７】
一方、第一ゲート電極７４と第二ゲート電極７６の電圧のいずれか一方が６０Ｖで他方が０Ｖの時には、電界の打ち消しあいにより電子は放出されない。これを利用して、マトリックス状に配置された画素のうちの任意の画素を発光させることができる。
【００８８】
なお、本実施の形態では、冷陰極７２は、実施の形態１で述べた冷陰極構造としたが、実施の形態２で述べた冷陰極構造としてもよい。すなわち、冷陰極７２は、図６に示したように、開口部の基板７１の上に形成された、導電膜あるいは抵抗膜から成る干渉層と、その上に形成された結晶配向性薄膜から構成される。ここで、結晶配向性薄膜の電子放出部先端が引き出し電極とほぼ同面位置になるように、それぞれの膜厚を調整することにより、電界強度を高くする、すなわち、電子放出開始電圧を低減することができる。また、干渉層を抵抗膜で構成することにより、より電流を安定化することが可能となる。さらに、結晶配向性薄膜を形成する下地である干渉層を、結晶配向性薄膜と同様の配向性を有する導電膜あるいは抵抗膜としておくことにより、その上に形成する薄膜の結晶化が促進され、電子放出部の先端形状を安定化することができる。
【００８９】
以上のように、本実施の形態の平面ディスプレイにおいて、電子源からの電子放出は方向の揃った微細構造部分から行われるため、マルチソースでありかつ電子の方向性が揃った冷陰極となる。この構成により、従来より簡単な構成で、電子源の電子放出しきい値の低下、放出電流値の増大と安定化を実現でき、平面ディスプレイの低電圧化、低コスト化を図ることができる。
【００９０】
（実施の形態４）
以下、本発明の電子放出素子を電子源とした透過型平面ディスプレイについて、図８を用いて詳細に説明する。
【００９１】
図８は、本発明の透過型平面ディスプレイの構造を示す断面図である。図８において、８１は透明基板、８２は透明基板８１上に形成された冷陰極であり、図１に示した透明導電体材料から成る結晶配向性薄膜で構成されている。８３は第一絶縁膜、８４は第一ゲート電極、８５は第二絶縁膜、８６は第二ゲート電極である。第一ゲート電極８４と第２ゲート電極８６はそれぞれ直交するラインとなるようなマトリクスに形成され、端部はフリットシールを通って外部回路とつながれており、このラインの交点が画素を構成する。８７は蛍光体層、８８はアノード電極層、８９は面板である。面板８９と透明基板８１は、不図示の隔壁板によって例えば２００μｍのギャップを確保し、端部でフリットガラスにより接着され、内部が高真空に保たれる構造となっている。
【００９２】
以上の構成において、その動作について説明する。アノード電極層８８に、透明基板８１に対して例えば４００Ｖ程度の電圧を加えてアノードとする。そして、第一ゲート電極８４と第二ゲート電極８６の両方に例えば６０Ｖ程度の電圧を加えると、冷陰極８２が電子放出性材料の結晶配向性薄膜から構成されているため、図８に示すように電子を放出する。放出された電子は、アノード電極層８８の電圧による電界によりアノード電極層８８に向かって真空に保持された内部を進行し、対向して設置された蛍光体層８７の蛍光体を励起し、可視発光を生じさせる。この光は、透明な冷陰極８２および透明基板８１を介して外部から見ることができる。
【００９３】
一方、第一ゲート電極８４と第二ゲート電極８６の電圧のいずれか一方が６０Ｖで他方が０Ｖの時には、電界の打ち消しあいにより電子は放出されない。これを利用して、マトリックス状に配置された画素のうちの任意の画素を発光させることができる。
【００９４】
なお、本実施の形態では、冷陰極８２は、実施の形態１で述べた冷陰極構造としたが、実施の形態２で述べた冷陰極構造としてもよい。すなわち、冷陰極８２は、図６に示したように、開口部の基板８１の上に形成された、導電膜あるいは抵抗膜から成る干渉層と、その上に形成された結晶配向性薄膜から構成される。ここで、結晶配向性薄膜の電子放出部先端が引き出し電極とほぼ同面位置になるように、それぞれの膜厚を調整することにより、電界強度を高くする、すなわち、電子放出開始電圧を低減することができる。また、干渉層を抵抗膜で構成することにより、より電流を安定化することが可能となる。さらに、結晶配向性薄膜を形成する下地である干渉層を、結晶配向性薄膜と同様の配向性を有する導電膜あるいは抵抗膜としておくことにより、その上に形成する薄膜の結晶化が促進され、電子放出部の先端形状を安定化することができる。
【００９５】
以上のように、平面ディスプレイにおいて、本発明のように、透明導電体結晶薄膜からなる冷陰極を用いることにより、透過型平面ディスプレイを実現することができる。さらに、電子源からの電子放出は方向の揃った微細構造部分から行われるため、マルチソースでありかつ電子の方向性が揃った冷陰極となる。この構成により、従来より簡単な構成で、電子源の電子放出しきい値の低下、放出電流値の増大と安定化を実現でき、平面ディスプレイの低電圧化、低コスト化を図ることができる。
【００９６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の冷陰極形成方法は、ターゲット材及び基板を予め決められた距離（Ｄ）だけ離して反応室内に配置し、前記ターゲット材にビーム光を照射することにより前記ターゲット材近傍に形成される高温高圧領域が前記基板に接するように、前記反応室に導入する雰囲気ガスの圧力（Ｐ）を調整し、前記反応室に前記圧力で前記雰囲気ガスを導入しながら、前記ターゲット材にビーム光を照射することにより励起し、脱離した前記ターゲット材に含まれる物質を前記基板上に堆積して冷陰極を形成するものであり、前記ターゲット材を構成する材料が、Ｉｎ2 Ｏ3 、ＳｎＯ2 、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＷＯ3 、又はＣｕＡｌＯ2 のいずれかの透明導電体であることを特徴とする。この構成により、従来の形成方法より容易に、自己整合型結晶構造を得ることができる。
【００９７】
また、本発明によれば、電子放出部を、上述の冷陰極形成方法により形成された、電子放出性材料の結晶配向性薄膜から成る冷陰極から構成される薄膜状電子源とすることにより、従来より簡単な構成で低コスト化を図ることができる。この構成の電子放出素子は、素子の形成に際しその再現性が良く、素子間のバラツキも少ないことから、マルチソースとして電流密度がかせげるため、高輝度・高精細なＣＲＴ用電子源として用いることができる。さらに、基板を透明とし、結晶性配向膜を透明導電体とすることにより、透過型平面ディスプレイの実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電子放出素子の構造を示す断面図
【図２】（ａ）  本発明の方法に使用する薄膜製造装置を示す構成図
（ｂ）  堆積基板とターゲットとの間における現象を説明するための図
【図３】本発明の実施の形態１に係る方法により得られた薄膜の電子顕微鏡写真
【図４】本発明の実施の形態１に係る方法により得られた薄膜のＸ線回折測定結果を示す図
【図５】結晶構造制御のメカニズムを説明するための図
【図６】本発明の実施の形態２に係る電子放出素子の構造を示す断面図
【図７】本発明の実施の形態３に係る平面ディスプレイの構造を示す断面図
【図８】本発明の実施の形態４に係る透過型平面ディスプレイの構造を示す断面図
【図９】従来の電界効果型電子放出素子の一例を示す概略的部分断面図
【符号の説明】
１１、７１  基板
１２、６２  絶縁層
１３、６３  金属層
１４、６５  結晶配向性薄膜
６４  干渉層
７２、８２  冷陰極
７３、８３  第一絶縁膜
７４、８４  第一ゲート電極
７５、８５  第二絶縁膜
７６、８６  第二ゲート電極
７７、８７  蛍光体層
７８  透明導電膜
７９、８９  面板
８１  透明基板
８８  アノード電極
１０１  反応室
１０２  超高真空排気系
１０３  マスフローコントローラ
１０４  ガス導入ライン
１０５  ガス排気系
１０６  ターゲットホルダ
１０７  ターゲット
１０８  パルスレーザ光源
１０９  堆積基板
１１０  レーザ導入窓
１１１  スリット
１１２  レンズ
１１３  反射鏡
１１４  プルーム
【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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