(57)【要約】【課題】  ビームの広がりを抑制して、混色の発生のない高画質の画像表示装置を提供する。【解決手段】  ガラス基板１０上に信号線（データ電極）となる下部電極１１、電子加速層であるトンネル絶縁層１２、走査線（スキャン線）である上部電極１３が積層されて電子放出部を形成する。下部電極１１はＡｌ−Ｎｄ合金のスパッタ膜、トンネル絶縁層１２はその陽極酸化膜で形成する。上部電極１３および/またはトンネル絶縁層１２の結晶粒径を５０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下、平均表面粗さを５ｎｍ以下とする。【選択図】    図１
2006236590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極と上部電極、および前記下部電極と上部電極の間に挟持される電子加速層を有し、前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加することで前記電子加速層と積層した領域で前記上部電極側より電子を放出する多数の薄膜型電子源をマトリクス状に配置した陰極基板と、前記電子源のそれぞれに対応して配置した複数色の蛍光体層を有する蛍光体基板とを具備する画像表示装置であって、
ＡＦＭで計測した前記下部電極を構成する電極膜の平均表面粗さを５ｎｍ以下とし、結晶粒径を５０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下としたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
下部電極と上部電極、および前記下部電極と上部電極の間に挟持される電子加速層を有し、前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加することで前記電子加速層と積層した領域で前記上部電極側より電子を放出する多数の薄膜型電子源をマトリクス状に配置した陰極基板と、前記電子源のそれぞれに対応して配置した複数色の蛍光体層を有する蛍光体基板とを具備する画像表示装置であって、
ＡＦＭで計測した前記電子加速層の平均表面粗さを５ｎｍ以下とし、結晶粒径を５０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下としたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
前記電子加速層は、前記下部電極の電極膜表面を陽極酸化して形成した絶縁膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記下部電極は、アルミニューム又はアルミニューム合金であることを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置にかかり、特に薄膜型電子源アレイを用いた自発光型のフラット・パネル・ディスプレイとも称する画像表示装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
微少で集積可能な薄膜電子源とも称する電子放出型電子源を利用する画像表示装置（フィールド・エミッション・ディスプレイ:ＦＥＤ）が開発されている。この種の画像表示装置の電子源は、電子放出型電子源とホットエレクトロン型電子源とに分類される。前者には、スピント型電子源、表面伝導型電子源、カーボンナノチューブ型電子源等が属し、後者には金属―絶縁体―金属を積層したＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）型、金属―絶縁体―半導体を積層したＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型、金属―絶縁体―半導体−金属型等の薄膜型電子源がある。
【０００３】
ＭＩＭ型について、例えば特許文献１に、金属―絶縁体―半導体型についてはＭＯＳ型（非特許文献１）、金属―絶縁体―半導体−金属型ではＨＥＥＤ型(非特許文献２などに記載)、ＥＬ型（非特許文献３などに記載）、ポーラスシリコン型（非特許文献４などに記載）などが報告されている。
【０００４】
ＭＩＭ型電子源については、例えば特許文献２にも開示されている。ＭＩＭ型電子源の構造と動作は以下のとおりである。すなわち、上部電極と下部電極との間に絶縁層を介在させた構造を有し、上部電極と下部電極との間に電圧を印加することで、下部電極中のフェルミ準位近傍の電子がトンネル現象により障壁を透過し、電子加速層である絶縁層の伝導帯へ注入されホットエレクトロンとなり、上部電極の伝導帯へ流入する。これらのホットエレクトロンのうち、上部電極の仕事関数φ以上のエネルギーをもって上部電極表面に達したものが真空中に放出される。
【特許文献１】特開平７−６５７１０号公報
【特許文献２】特開平１０−１５３９７９号公報
【特許文献３】特願２００３−１３５２６８号公報
【特許文献４】特開平１０−１５４４７６号公報
【非特許文献１】ｊ.Ｖａｃ.Ｓｃｉ.Ｔｅｃｈｏｎｏｌ.Ｂ１１(２)ｐ.４２９−４３２(１９９３)
【非特許文献２】ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ、Ｊｐｎ、ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、ｖｏｌ．３６、ｐｐ.９３９
【非特許文献３】Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ、応用物理 第６３巻、第６号、５９２頁
【非特許文献４】応用物理  第６６巻、第５号、４３７頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＭＩＭ、ＨＥＥＤなど、絶縁層で電子を加速し、上部電極から電子を放出するＦＥＤでは、絶縁層内で電子が電子放出面に対し垂直に加速されるため、放出される電子の直進性は、電界放出型や表面伝導型に比べ高い。しかしながら厳密には、下部電極と絶縁層の表面粗さにより、その垂直度は低下し、蛍光面に指向するビームが広がり、隣接する蛍光面に射突して混色を起こす場合がある。
【０００６】
特許文献４には、非フォーミング状態のＭＩＭカソードと蛍光面の間隔を１ｍｍ以上とし、加速電圧を２ＫＶ以上として、ビーム拡がりを７６〜６４μｍに抑えることを述べている。しかしながら、高精細表示装置の画素ピッチは約１００μｍであり、このビーム拡がり量では隣接する２つのカソードからのビームが混色してしまう。また、特許文献４では下部電極や絶縁層の表面粗さ、結晶粒径については考慮されておらず、実際にはプロセス条件による表面粗さ、結晶粒径の変動によりさらにビームが拡がり、混色が深刻になる場合がある。
【０００７】
本発明の目的は、上記したようなビームの拡がりを抑制して、混色の発生のない高精細の画像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、ＡＦＭ(Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ)で計測した前記絶縁層あるいは前記絶縁層の下地である前記下部電極の電極膜の結晶粒径を５０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下、平均表面粗さを５ｎｍ以下とすることで達成できる。
【発明の効果】
【０００９】
ビーム拡がりを２０μｍ以下とすることが可能となり、混色の発生のない高画質の画像表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態につき、実施例の図面を用いて詳細に説明する。なお、以下では本発明の実施例をＭＩＭ（金属−絶縁体−金属）型カソードを例として説明するが、他の薄膜型カソードについても同様である。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の画素表示装置を構成するカソードの基本構造を示す断面図である。ここでは、ガラス基板１０上に信号線（データ電極）となる下部電極１１、電子加速層であるトンネル絶縁層１２、走査線（スキャン線）である上部電極１３が積層されて電子放出部を形成している。下部電極１１はＡｌ−Ｎｄ合金のスパッタ膜、トンネル絶縁層１２はその陽極酸化膜で形成する。
【００１２】
スパッタ法や蒸着法で形成する薄膜は多結晶膜であり、多数の結晶粒が寄り集まった構造を有する。その結晶粒サイズや表面粗さは成膜条件により大きく異なる。成膜条件とは、例えばスパッタ法による場合、放電ガス圧力、基板温度、成膜速度などである。実施例１では、できるだけ平坦な下部電極膜を形成するため、基板温度を室温程度（約２５℃）に保ち、放電ガス圧を０．４Ｐａ以下に低下させた。
【００１３】
図２は、前記条件で成膜した膜厚３００ｎｍの下部電極Ａｌ−Ｎｄ膜の表面粗さを放電ガス圧を変化させてＡＦＭで評価した結果を示す図である。図２の横軸は放電ガス圧（Ｐａ）、縦軸は平均表面粗さ（ｎｍ）である。図２おける実線グラフａと鎖線ｂは異なる画像表示装置の表面粗さをそれぞれ示す。
図２に示された結果から、スパッタ条件の最適化により、平均表面粗さは２〜５ｎｍ以下にすることが可能であることが分かる。
【００１４】
一方、図３は、実線グラフa、０．４Ｐａの条件で成膜した下部電極膜の結晶粒径を評価した結果を示す図である。図３の横軸は結晶粒径（ｎｍ）、縦軸は結晶数である。図３に示したように、結晶粒径は５０〜１６０ｎｍの範囲に大部分が分布しており、その平均は９０ｎｍである。
【００１５】
図４は、表面にうねりがある下部電極上に陽極酸化でトンネル絶縁層を形成したＭＩＭ陰極の断面構造の模式図である。トンネル絶縁層１２となる陽極酸化膜は、下地の下部電極１１の表面粗さに沿って均一な膜厚の絶縁層を形成するので、トンネル絶縁層１２の表面粗さは下部電極１１のそれとほぼ一致する。なお、図４中、符号１０はガラス基板、１３は上部電極を示す。
【００１６】
図５は、放出される電子ビームの平均放出角を平均表面粗さと結晶粒径をパラメータにプロットした結果を示す図である。図５の横軸は平均表面粗さ（図５では表面粗度として示す）、縦軸は放出角（°）である。図５に示したように、電子ビームの放出角は表面粗さが小さくなるとともに小さくなる。また、結晶粒径が大きくともに小さくなることが分かる。これは、同じ表面粗さの場合、結晶粒径が大きいほど平坦な部分の面積が増すためである。しかしながら、一方で結晶粒径が大きすぎると粒界での粗度が悪くなるため、結晶粒径は本実施例のように５０〜１６０ｎｍがよい。
【００１７】
図６は、パネルギャップ３ｍｍ、アノード電圧７ｋＶのＦＥＤでのビーム拡がりをプロットした結果を示す図である。図６の横軸は平均表面粗さ（図６では表面粗度として示す）、縦軸はビーム広がり（μｍ）である。図６には、放出電子が表面の垂線方向に最大エネルギー５eＶで放出される場合をプロットしている。図６から、平均表面粗さを５ｎｍ以下、結晶粒径を５０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下とすることで、蛍光面まで飛行する間の電子ビームの拡がりを片側２０μｍ以下とすることができ、高解像度のカラーパネルでも混色を防止することができる。
【００１８】
次に、本発明による画像表示装置の製造方法の１例について、図７〜図１５を参照して説明する。先ず、図７に示したように、ガラス等の絶縁性の基板１０上に下部電極１１用の金属膜を成膜する。下部電極１１の材料としてＡｌ系金属を用いる。Ａｌ系金属を用いるのは、陽極酸化により良質の絶縁膜を形成できるからである。ここでは、ＡｌにＮｄを２原子量％ドープしたＡｌ−Ｎｄ合金を用いた。成膜には、例えば、スパッタリング法を用いる。膜厚は３００ｎｍとした。
【００１９】
成膜後はパターニング工程、エッチング工程によりストライプ形状の下部電極１１を形成した(図８)。下部電極１１の電極幅は画像表示装置のサイズや解像度により異なるが、ここでは高精細ディスプレイのサブピクセルピッチの１００ミクロン程度とした。エッチングは例えば燐酸、酢酸、硝酸の混合水溶液でのウェットエッチングを用いる。この電極は幅の広い簡易なストライプ構造のため、レジストのパターニングは安価なプロキシミティ露光や、印刷法などで行うことができる。
【００２０】
次に、電子放出部を制限し、下部電極１１エッジへの電界集中を防止する保護絶縁層（フィールド絶縁膜とも称する）１４と、絶縁層（トンネル絶縁膜とも称する）１２を形成する。まず、図９に示した下部電極１１上の電子放出部となる部分をレジスト膜２５でマスクし、その他の部分を選択的に厚く陽極酸化して保護絶縁層１４とする。化成電圧を１００Ｖとすれば、厚さ約１３６ｎｍの保護絶縁層１４が形成される。その後、レジスト膜２５を除去して残りの下部電極１１の表面を陽極酸化する。例えば、化成電圧を６Ｖとすれば、下部電極１１上に厚さ約１０ｎｍの絶縁層（トンネル絶縁層）１２が形成される（図１０）。
【００２１】
次に、層間絶縁層１５と、上部電極１３への給電線となる上部バス電極配線とスペーサ３０を配置するためのスペーサ３０を上部バス電極配線に電気的に接続するスペーサ電極となる金属膜を例えばスパッタリング法等で成膜する（図１１）。この層間膜１５は、陽極酸化で形成する保護絶縁層１４にピンホールがあった場合、その欠陥を埋め、下部電極11と上部バス電極配線間の絶縁を保つ役割を果たす。金属膜は金属膜中間層１７としてＡｌをＣｒの金属膜下層１６、金属膜上層１８間に挟んだ３層膜とする。
【００２２】
ここでは、金属膜中間層１７にはＡｌを、金属膜下層１６と金属膜上層１８にはＣｒを用いた。Ａｌの膜厚は配線抵抗を低減するため、できるだけ厚くしておく。ここでは、金属膜下層１６を１００ｎｍ、金属膜中間層１７を４μｍ、金属膜上層１８を１００ｎｍの膜厚とした。
【００２３】
続いて、パターニングとエッチング工程により金属膜上層１８を、下部電極１１とは直交するストライプ形状に加工する。エッチングは例えば硝酸アンモニウムセリウム水溶液でのウェットエッチングを用いる。（図１２）。続いて、パターニングとエッチング工程により金属膜下層１６を、下部電極１１とは直交するストライプ形状に加工する（図１３）。エッチングは燐酸、酢酸の混合水溶液でのウェットエッチングで行う。その際、金属膜下層１６の片側（電子源形成側）は金属膜上層１８より張り出させて、後の工程で上部電極との接続を確保するコンタクト部とし、金属膜下層１６の反対側（電子源形成側と反対側）では金属膜上層１８をマスクとしてアンダーカットを形成し、後の工程で上部電極１３を分離する庇を形成する。これにより、上部電極１３を自己整合的に分離し、かつ給電を行う上部バス電極配線を形成することができる。
【００２４】
続いて、層間絶縁層１５を加工して電子放出部を開口する。電子放出部はサブピクセル内の１本の下部電極１１と、この下部電極１１と直交する２本の上部バス電極に挟まれた空間の直交部の一部に形成する。エッチングは、例えばＣＦ4やＳＦ6を主成分とするエッチング剤を用いたドライエッチングによって行うことができる（図１４）。
【００２５】
最後に、上部電極膜１３の成膜を行う。この成膜法は、例えばスパッタ成膜を用いる。上部電極１３としては、例えばＩｒ、Ｐｔ、Ａｕの積層膜を用い、膜厚は例えば６ｎｍとした。この時、上部電極１３は、電子放出部を挟む２本の上部バス電極の一方で、庇構造により切断される一方、もう一方の上部バス電極とは金属膜下層１６のコンタクト部により断線を起こさずに接続され給電される構造となる（図１５）。
【００２６】
図１６は、本発明の画像表示装置の全体構成例の説明図であり、ＭＩＭ型薄膜電子源を用いた画像表示装置を例とした模式平面図である。なお、図１６では、主として電子源を有する一方のガラス基板（陰極基板）１０の平面を示すが、一部に蛍光体を形成した他方のガラス基板（蛍光体基板、表示側基板、カラーフィルタ基板）は、その内面に有するブラックマトリクス１２０と蛍光体１１１，１１２，１１３のみを部分的に示し、基板自体は図示していない。
【００２７】
陰極基板１０には、信号線駆動回路５０に接続する信号線（データ線、信号電極配線）を構成する下部電極１１、走査線駆動回路６０に接続して信号線と直交配置された走査線（走査電極配線）２１を構成する金属膜下層１６と金属膜中間層１７および金属膜上層１８、保護絶縁膜（フィールド絶縁膜）１４、その他の後述する機能膜等が形成されている。なお、陰極（電子放出部、電子源）は、上部バス電極に接続し、絶縁層を介して下部電極１１に積層する上部電極（図示せず）で形成され、絶縁層の薄層部分で形成される絶縁層（トンネル絶縁層）１２の部分から電子が放出される。
【００２８】
一方、表示側基板１０の内面には、表示画像のコントラストを上げるための遮光層すなわちブラックマトリクス１２０、赤色蛍光体１１１、緑色蛍光体１１２と青色蛍光体１１３とからなる。蛍光体としては、例えば、赤色にＹ2Ｏ2Ｓ:Ｅｕ(Ｐ２２−Ｒ)、緑色にＺｎＳ:Ｃｕ、Ａｌ(Ｐ２２−Ｇ)、青色にＺｎＳ:Ａｇ、Ｃｌ(Ｐ２２−Ｂ)を用いることができる。陰極基板１０と蛍光体基板とはガラス板又はセラミックス板からなるスペーサ３０で所定の間隔で保持され、表示領域の外周に枠ガラス（封止枠、図示せず）を介在させて内部が真空封止される。
【００２９】
スペーサ３０は、陰極基板１０の走査電極２１の上部バス電極配線上に配置し、蛍光面基板のブラックマトリクス１２０の下に隠れるように配置する。下部電極１１は信号線駆動回路５０へ接続し、上部バス電極配線である走査電極２１は走査線駆動回路６０に接続する。
【００３０】
この陰極構造では、低抵抗のＡｌまたはＡｌ合金の配線を耐熱性と耐酸化性のあるＣｒまたはＣｒ合金などにより挟んで積層構造をもつ上部バス電極配線としたことにより、上部電極１３を自己整合的に加工でき、また封着工程を通しても劣化しない上部バス電極を作成することができ、表示装置の配線抵抗により電圧降下を抑制することができる。また厚いスペーサ電極１２により大気圧を支持するスペーサからの薄膜型電子源への機械的損傷を防止することができる。
【００３１】
図１６に示したＭＩＭ電子源は、陰極基板１０上にデータ電極となる下部電極１１、トンネル絶縁層１２、上部電極１３が積層されて電子放出部を形成し、トンネル絶縁層１２以外の部分はフィールド絶縁層１４、層間絶縁層１５で走査電極と電気的に分離されている。上部電極１３は、走査電極２１と配線の片側で接続されており、反対側で下層ＣｒまたはＣｒ合金１６のアンダーカットにより分離されている。これにより、各走査電極を電気的に分離する（走査方向の隣接画素の分離）ことが可能である。
【００３２】
上部バス電極配線である走査電極２１の材料は耐酸化性の高いＡｌまたはＡｌ合金を上下で挟んだＣｒまたはＣｒ合金との３層の積層からなっている。ＣｒまたはＣｒ合金は耐熱性、耐酸化性を有するため、画像表示装置のパネルの高温での封着工程等での配線のダメージを避けることができる。また、比抵抗が低いＡｌまたはＡｌ合金層を用いて配線を厚膜化することで低抵抗配線の要求も満足することが可能である。Ａｌ合金としては、例えばＮｄを２ａｔ％添加したＡｌ−Ｎｄ合金、Ｃｒ合金としては例えばＭｏを５０ｗｔ％添加したＣｒ−Ｍｏ合金などを用いることができる。ここでは、ＡｌはＡｌ合金も含み、ＣｒはＣｒ合金も含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の画素表示装置を構成するカソードの基本構造を示す断面図である。
【図２】前記条件で成膜した膜厚３００ｎｍの下部電極Ａｌ−Ｎｄ膜の表面粗さを放電ガス圧を変化させてＡＦＭで評価した結果を示す図である。
【図３】平均結晶粒径を評価した結果を示す図である。
【図４】表面にうねりがある下部電極上に陽極酸化でトンネル絶縁層を形成したＭＩＭ陰極の断面構造の模式図である。
【図５】放出される電子ビームの平均放出角を表面粗さと平均結晶粒径をパラメータにプロットした結果を示す図である。
【図６】パネルギャップ３ｍｍ、アノード電圧７ｋＶのＦＥＤでのビーム拡がりをプロットした結果を示す図である。
【図７】本発明の薄膜型電子源の製法を示す図である。
【図８】本発明の薄膜型電子源の製法を示す図７に続く図である。
【図９】本発明の薄膜型電子源の製法を示す図８に続く図である。
【図１０】本発明の薄膜型電子源の製法を示す図９に続く図である。
【図１１】本発明の薄膜型電子源の製法を示す図１０に続く図である。
【図１２】本発明の薄膜型電子源の製法を示す図１１に続く図である。
【図１３】本発明の薄膜型電子源の製法を示す図１２に続く図である。
【図１４】本発明の薄膜型電子源の製法を示す図１３に続く図である。
【図１５】本発明の薄膜型電子源の製法を示す図１４に続く図である。
【図１６】本発明の実施例１を説明するＭＩＭ型薄膜電子源を用いた画像表示装置を例とした模式平面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０・・・陰極基板、１１・・・下部電極、１２・・・絶縁層（トンネル絶縁層）、１３・・・上部電極、１４・・・保護絶縁膜（フィールド絶縁膜）、１５・・・層間絶縁層、１５−１・・・酸化シリコン膜ＳｉＯ2、１５−２・・・窒化シリコン膜ＳｉＯ2、１５−３,１５−4・・・シリコン酸窒化膜膜ＳｉＯ2（ｘ）Ｎ（ｙ）、１６・・・金属膜下層、１７・・・金属膜中間層、１８・・・金属膜上層、１９・・・傾斜面、２１・・・走査電極（上部バス電極配線）、２５,２６・・・レジスト膜、３０・・・スペーサ、５０・・・信号線駆動回路、６０・・・走査線駆動回路、１１１・・・赤色蛍光、１１２・・・緑色蛍光体、１１３・・・青色蛍光体、１２０・・・ブラックマトリクス。
【図１】
2006236590.tif 000003
【図２】
2006236590.tif 000004
【図３】
2006236590.tif 000005
【図４】
2006236590.tif 000006
【図５】
2006236590.tif 000007
【図６】
2006236590.tif 000008
【図７】
2006236590.tif 000009
【図８】
2006236590.tif 000010
【図９】
2006236590.tif 000011
【図１０】
2006236590.tif 000012
【図１１】
2006236590.tif 000013
【図１２】
2006236590.tif 000014
【図１３】
2006236590.tif 000015
【図１４】
2006236590.tif 000016
【図１５】
2006236590.tif 000017
【図１６】
2006236590.tif 000018