(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板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ゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層にナノサイズスケールの細孔を高エネルギーイオン照射を用いて形成する工程と、電界放出電子源を形成するために前記細孔にカーボンナノチューブからなる電子放出材料を充填する工程と、前記電界放出電子源の上層にキャップを形成する工程と、前記キャップをマスクとしてゲート電極を形成する工程と、前記キャップをリフトオフする工程と、前記電界放出電子源周辺のゲート絶縁層を除去する工程とを含むことを特徴とする冷陰極製造方法。
【請求項２】
支持基板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ゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層上にゲート電極を堆積する工程と、前記ゲート電極上に保護層を形成する工程と、前記保護層と前記ゲート電極と前記ゲート絶縁層とにナノサイズスケールの細孔を高エネルギーイオン照射を用いて形成する工程と、前記保護層に形成した細孔を拡張する工程と、前記細孔にカーボンナノチューブからなる電子放出材料を充填する工程と、前記保護層に充填した電子放出材料を除去して電界放出電子源を形成する工程と、前記ゲート電極を一部除去する工程と、前記保護層を剥離する工程と、前記電界放出電子源周辺のゲート絶縁層を除去する工程とを含むことを特徴とする冷陰極製造方法。
【請求項３】
前記ゲート絶縁層を形成する工程は、該ゲート絶縁層の表面を平坦化する平坦化工程を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の冷陰極製造方法。
【請求項４】
前記細孔に電子放出材料を充填する工程は、金属触媒を用いたＣＶＤ法による選択成長によることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の冷陰極製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
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冷陰極及びその製造方法に関し、詳しくは、電界放出電子源を用いた冷陰極及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
強電界を印加することで冷電子を放出する冷陰極に関する研究がデバイス面、材料面の両面において、研究、開発が行われている。材料面においては、近年、円筒状に巻いたグラファイト層が入れ子状になったカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が発見され（Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔｕｒｅ，３５４，５６．１９９１）、様々な電子デバイスとしての応用が期待されている。
【０００３】
例えば、このようなＣＮＴを用いたデバイスとしては、図６に示すような構造のものが知られている（特開平１０−１２１２４号公報参照）。すなわち、ガラス基板１００上にアルミニウム層１０１を介してアルミナの陽極酸化皮膜１０２を有し、この陽極酸化皮膜１０２の細孔１０３中にＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長法）でＣＮＴを選択成長させることで、３極管構成となる電界放出電子源１０４を形成している
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示すような冷陰極は、電界放出電子源１０４の密度が陽極酸化皮膜１０２の密度で決定され、その密度が高くなると電界放出電子源１０４の先端部での電界集中を弱くしてしまい、そのため高駆動電圧を要するという問題がある。また、ゲート絶縁層（陽極酸化皮膜１０２）は、アルミナ等の陽極酸化可能な材料に限定されてしまうという問題もある。
【０００５】
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、その目的とするところは、電界放出電子源を用い、低駆動電圧化が可能であり、かつＸＹアドレス可能な冷陰極及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の冷陰極製造方法は、支持基板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ゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層にナノサイズの細孔を高エネルギーイオン照射を用いて形成する工程と、電界放出電子源を形成するために前記細孔にカーボンナノチューブからなる電子放出材料を充填する工程と、前記電界放出電子源の上層にキャップを形成する工程と、前記キャップをマスクとしてゲート電極を形成する工程と、前記キャップをリフトオフする工程と、前記電界放出電子源周辺のゲート絶縁層を除去する工程とを含む製造方法である。
【００１０】
また、本発明の冷陰極製造方法は、支持基板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ゲート絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層上にゲート電極を堆積する工程と、前記ゲート電極上に保護層を形成する工程と、前記保護層と前記ゲート電極と前記ゲート絶縁層とにナノサイズの細孔を高エネルギーイオン照射を用いて形成する工程と、前記保護層に形成した細孔を拡張する工程と、前記細孔にカーボンナノチューブからなる電子放出材料を充填する工程と、前記保護層に充填した電子放出材料を除去して電界放出電子源を形成する工程と、前記ゲート電極を一部除去する工程と、前記保護層を剥離する工程と、前記電界放出電子源周辺のゲート絶縁層を除去する工程とを含む製造方法である。これにより、電界放出電子源上のキャップの形成が不要になり、工程削減が可能となる。
【００１１】
また、前記ゲート絶縁層を形成する工程は、該ゲート絶縁層の表面を平坦化する平坦化工程を含むことで、ゲート電極の均一化が可能となる。
また、前記細孔を形成する工程は、高エネルギーイオン照射によることで、電界放出電子源の密度を１×１０１０個／ｃｍ２以下に制御可能である。
また、前記細孔に電子放出材料を充填する工程は、金属触媒を用いたＣＶＤ法による選択成長によることで、金属触媒とプラズマアシストで微小電界放出電子源の成長温度を低減することができる。
【００１２】
【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実施の形態による冷陰極の構成を示す斜視図である。冷陰極Ａは、微小な電界放出電子源を用いた冷陰極であり、特にフィールドエミッションディスプレイの斜視図を示している。
【００１３】
絶縁性の支持基板１上にライン状のカソード電極２が形成され、炭素化合物からなる微小な電界放出電子源６が画素（電子放出領域）１１に多数集積される。この画素１１はカソード電極２と同じくライン状のゲート電極９との直交する位置に配設されている。カソード電極２とゲート電極９はゲート絶縁層３により電気的に絶縁されている。前記冷陰極Ａと対向するように、蛍光体１３が被着した透明なアノード電極１２が配設される。
【００１４】
このよう構成の冷陰極で電界放出実験を行った。ゲート電極９の電圧を２０〜３０Ｖ、アノード電極１２の電圧を５ＫＶ、カソード電極２を接地すると、ナノチューブの電界放出電子源６から５〜１０ｍＶ／ｃｍ２  程度の電子が放出され、対向して配設された蛍光体１３が発光した。蛍光体１３としてＲＧＢを配設すると、カラー表示が可能となり、輝度は１００〜２００ｃｄ／ｍ２  程度のものが得られる。
【００１５】
図１では、特に冷陰極Ａをフィールドエミッションディスプレイに適用した例を示しているが、フィールドエミッションディスプレイと、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等は、ゲート電極とカソード電極の形状が異なるが基本構成は同一である。すなわち、冷陰極ランプはゲート電極、カソード電極の加工が不要である。蛍光表示管はセグメントに対応したゲート電極形状、カソード電極の引き出し配線を配設する。液晶デバイス用のバックライトはゲート電極、カソード電極をライン状に加工して配設する。フィールドエミッションディスプレイはゲート電極、カソード電極をライン状に加工すると共に、お互いに直交するように配設すればよい。
【００１６】
図２及び図３は、第１実施の形態の冷陰極製造方法の工程断面図である。
まず、図２（ａ）において、アルミナとシリカからなる絶縁性の支持基板１にカソード電極２を形成する。支持基板１は融点が８００℃程度のものが好ましい。カソード電極２はニッケルまたはニッケル合金、コバルト、鉄等の金属触媒を用い、スクリーン印刷でパターニングする。
【００１７】
カソード電極２上に絶縁材料、すなわちゲート絶縁層３を堆積する。ゲート絶縁層３としては、二酸化ケイ素が好適に使用されるが、後述の電界放出電子源６として用いる炭素化合物の成長温度以下で絶縁材料であれば二酸化ケイ素に限定されない。ゲート絶縁層３の表面は研磨して平坦化することで、後述のゲート電極９の均一化が可能となる。
【００１８】
次に、図２（ｂ）において、ゲート絶縁層３に細孔５を形成する。細孔５の形成は、例えばアルゴン又はクリプトン等のイオン４を注入し、ダメージ層を形成することにより行われる（イオンを高エネルギーで注入し、微細なホールを形成する技術は、例えば特表平９−５０４９００号公報に開示されている）。このような高エネルギーイオン注入法を用いると、図２（ｂ）のように、ゲート絶縁層３中に細孔５を形成できる。また、次に説明する電界放出電子源６の密度を１×１０１０個／ｃｍ２以下に制御可能である。
【００１９】
次に、図２（ｃ）において、ゲート絶縁層３中に形成した細孔５に炭素化合物からなる微小な電界放出電子源６を形成する。電界放出電子源６に用いる炭素化合物としては、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、ダイアモンドライクカーボン、グラファイト、フラーレン、ボロンナイトライドチューブが挙げられる。これにより、耐イオン衝撃が強く、１０−６Ｔｏｒｒ程度の真空度でも動作可能となる。本実施の形態においては、カーボンナノチューブについて説明する。
【００２０】
カーボンナノチューブを細孔５に形成するには、プラズマアシストしたＣＶＤ法を用いる。カーボンナノチューブはカソード電極２として用いたニッケル上で５００〜８００℃程度で十分に成長する。なお、細孔５はカソード電極２上以外の領域にも形成されているが、金属触媒として作用するニッケルが存在しないため、５００〜８００℃ではカーボンナノチューブは成長しない。したがって、図２（ｃ）に示すように、カソード電極２上にのみ選択的に電界放出電子源６が形成される。
【００２１】
次に、図３（ｄ）において、電界放出電子源６上に金属材料からなるキャップ８を形成する。キャップ８はカソード電極２と対向電極（図示せず）を用い、電解溶液中で電解メッキで形成する。
次に、図３（ｅ）において、ゲート電極９を堆積し、ライン状にパターニングする。ゲート電極材料はゲート絶縁層３上及びキャップ８上に堆積され、フォトリソグラフィ及びエッチングでゲート電極９を前記カソード電極２と直交する方向にパターニングする。
【００２２】
最後に、図３（ｆ）において、キャップ８をリフトオフする。キャップ８のリフトオフは、電界放出電子源６、ゲート絶縁層３及びゲート電極９に対してエッチング選択比の高いエッチング剤を用いることにより行われる。さらに、電界放出電子源６及びゲート電極９に対してエッチング選択比が高いエッチング剤を用いてゲート絶縁層３をエッチング除去すると、電界放出電子源６の周辺のゲート絶縁層３が除去されて凹部１０が形成される。なお、このような凹部１０の形成は電界放出電子源６とゲート電極９の短絡防止の点で好ましい工程であるが、この工程は省略してキャップ８のリフトオフのみとすることも可能である。このようにして、図１及び図３（ｆ）に示すような冷陰極Ａが完成する。
【００２３】
図４及び図５は、第２実施の形態の冷陰極製造方法の工程断面図である。第２実施の形態は第１実施の形態とは異なる製造方法を採用したものであり、製造完了後の構造は図１のものと同じである。第１実施の形態では、ゲート絶縁層３に高エネルギーイオン注入を行ったのに対して、第２実施の形態では、ゲート絶縁層３のほかゲート電極９にも高エネルギーイオン注入を行う。高エネルギーイオン注入のイオン注入エネルギーが大きくなるものの、電界放出電子源６上のキャップ８の形成が不要になり、工程削減が可能となる。
【００２４】
まず、図４（ａ）において、第１実施の形態と同様に支持基板１上に、カソード電極２とゲート絶縁層３を形成する。次に、図４（ｂ）において、ゲート電極９をゲート絶縁層３上に形成し、所望の形状にパターニングする。
次に、図４（ｃ）において、イオン注入保護層１５をゲート電極９上に形成し、高エネルギーイオン１４の注入法でゲート電極９及びゲート絶縁層３中に細孔５を形成する。このイオン注入保護層１５は、耐熱性でありゲート電極９に対するエッチング選択比が高いことが必要で、例えば二酸化シリコンが用いられる。
【００２５】
次に、図５（ｄ）において、イオン注入保護層１５を選択的にエッチング除去し、イオン注入保護層１５に細孔径が拡大した開口部５ａを形成する。さらに、第１実施の形態と同様に、カソード電極２上の細孔５に対して炭素化合物からなる電界放出電子源６を選択的に成長させる。イオン注入保護層１５における開口部５ａにも炭素化合物６ａが成長する。なお、カソード電極２以外の領域の細孔５には炭素化合物は成長しない。
【００２６】
次に、図５（ｅ）において、イオン注入保護層１５中の炭素化合物、すなわち、開口部５ａ内の炭素化合物６ａを除去し、さらにその直下のゲート電極９を一部除去して凹部１７を形成する。すなわち、酸素プラズマエッチング法を用い、イオン注入保護層１５中の炭素化合物６ａを除去し、続いてその領域直下のゲート電極９を除去して凹部１７を形成する。
【００２７】
最後に、ゲート電極９をエッチングマスクとし、ゲート絶縁層３の一部をエッチング除去した凹部１８を形成し、次いでイオン注入保護層１５を剥離すると、図１及び図５（ｆ）に示すような冷陰極Ａが完成する。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
融点が１０００℃以上のゲート絶縁層を用いることにより、冷陰極製造過程でゲート絶縁層が劣化しないようにすることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明の冷陰極によれば、微小電界放出電子源を分割配設することが可能であると共に、ゲート電極とカソード電極を独立に形成可能であるので、ＸＹアドレスが可能となる。
また、本発明の冷陰極製造方法によれば、カソード電極とゲート電極とが重なる位置に電界放出電子源を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態による冷陰極の構成を示す斜視図である。
【図２】第１実施の形態の冷陰極製造方法の工程断面図（その１）である。
【図３】第１実施の形態の冷陰極製造方法の工程断面図（その２）である。
【図４】第２実施の形態の冷陰極製造方法の工程断面図（その１）である。
【図５】第２実施の形態の冷陰極製造方法の工程断面図（その２）である。
【図６】従来の冷陰極の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１  支持基板
２  カソード電極
３  ゲート絶縁層
４  イオン
５  細孔
６  電界放出電子源
８  キャップ
９  ゲート電極
１５  イオン注入保護層
【図１】
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【図２】
0003594850.tif 000003
【図３】
0003594850.tif 000004
【図４】
0003594850.tif 000005
【図５】
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【図６】
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