(57)【要約】【課題】  絶縁層に形成される開口部の縦横比を高めて微細パターニングを可能にし、その結果高解像度と高輝度実現に有利な電子放出素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】  本発明による電子放出素子の製造方法は、基板上にカソード電極を形成する段階と、カソード電極を覆いながら基板上面全体に絶縁層を形成する段階と、絶縁層を少なくとも２回以上湿式エッチングして１より大きい縦横比を有する開口部を形成する段階と、絶縁層上にゲート電極を形成する段階と、絶縁層の開口部内側でカソード電極上に電子放出部を形成する段階を含む。この時、それぞれのエッチングは同じ大きさの開口部を有するそれぞれのマスクパターンを利用して行う。また、それぞれのエッチングはアンダーカットが発生するように行う。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基板上にカソード電極を形成する段階と;
（ｂ）前記カソード電極を覆いながら前記基板上面全体に絶縁層を形成する段階と;
（ｃ）前記絶縁層を少なくとも２回以上湿式エッチングして、１より大きい縦横比を有する開口部を形成する段階と;
（ｄ）前記絶縁層上にゲート電極を形成する段階と;
（ｅ）前記絶縁層の開口部内側で前記カソード電極上に電子放出部を形成する段階と、
を含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項２】
前記それぞれのエッチングは、同じ大きさの開口部を有するそれぞれのマスクパターンを利用して遂行することを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項３】
前記それぞれのマスクパターンは、同一露光マスクを適用したフォトリソグラフィ工程でパターニングして形成することを特徴とする請求項２に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項４】
前記それぞれのエッチングは、アンダーカットが発生するように遂行することを特徴とする請求項２に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項５】
前記電子放出部を形成する時、カーボンナノチューブ、黒鉛、黒鉛ナノファイバー、ダイアモンド、ダイアモンド状カーボン、Ｃ６０及びシリコンナノワイヤーから成る群より選択された少なくとも一つの電子放出物質を用いることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項６】
前記絶縁層が前記開口部側壁に一つ以上の境界面を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれか１項に記載された方法によって製造される電子放出素子。
【請求項７】
（ａ）基板上にカソード電極を形成する段階と;
（ｂ）前記カソード電極を覆いながら前記基板上面全体に絶縁層を形成する段階と;
（ｃ）前記絶縁層上に開口部を有する第１マスクパターンを形成する段階と;
（ｄ）前記第１マスクパターンの開口部によって露出された前記絶縁層部位を湿式エッチングにより１次エッチングして、第１マスクパターンを除去する段階と;
（ｅ）前記絶縁層表面に前記第１マスクパターンの開口部と同じ大きさの開口部を有する第２マスクパターンを形成する段階と;
（ｆ）前記第２マスクパターンの開口部によって露出された前記絶縁層部位を湿式エッチングにより２次エッチングして、第２マスクパターンを除去する段階と;
（ｇ）前記絶縁層表面に前記第１マスクパターンの開口部と同じ大きさの開口部を有する第３マスクパターンを形成する段階と;
（ｈ）前記第３マスクパターンの開口部によって露出された前記絶縁層部位を湿式エッチングにより３次エッチングして、第３マスクパターンを除去する段階と;
（ｉ）前記絶縁層上にゲート電極を形成する段階と;
（ｊ）前記絶縁層の開口部内側で前記カソード電極上に電子放出部を形成する段階と、
を含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項８】
前記１次エッチングは、前記絶縁層厚さの１／３程度が除去されるように遂行することを特徴とする請求項７に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項９】
前記２次エッチングは、前記１次エッチング後、残留絶縁層厚さの１／２程度が除去されるように遂行することを特徴とする請求項７に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項１０】
前記１次エッチングと２次エッチング及び３次エッチングは、アンダーカットが発生するように遂行することを特徴とする請求項７に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項１１】
前記電子放出部を形成する時、カーボンナノチューブ、黒鉛、黒鉛ナノファイバー、ダイアモンド、ダイアモンド状カーボン、Ｃ６０及びシリコンナノワイヤーから成る群より選択された少なくとも一つの電子放出物質を用いることを特徴とする請求項７に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項１２】
前記絶縁層の開口部が１より大きい縦横比を有することを特徴とする請求項７乃至請求項１１のうちのいずれか１項に記載された方法によって製造される電子放出素子。
【請求項１３】
前記絶縁層が、前記開口部側壁に二つの境界面を形成することを特徴とする請求項１２に記載の電子放出素子。
【請求項１４】
所定の間隔をおいて互いに対向配置される第１基板及び第２基板と;
前記第１基板上に形成されるカソード電極と;
前記カソード電極上に形成される電子放出部と;
前記カソード電極上に形成され、前記それぞれの電子放出部形成位置に１より大きい縦横比を有する開口部を形成する絶縁層と;
前記絶縁層上に形成されるゲート電極と;
前記第２基板上に形成される蛍光層と、;
前記蛍光層の一面に形成される少なくとも一つのアノード電極と、
を含むことを特徴とする電子放出素子。
【請求項１５】
前記絶縁層が、５乃至３０μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１４に記載の電子放出素子。
【請求項１６】
前記電子放出部が、カーボンナノチューブ、黒鉛、黒鉛ナノファイバー、ダイアモンド、ダイアモンド状カーボン、Ｃ６０及びシリコンナノワイヤーから成る群より選択された少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする請求項１４に記載の電子放出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子放出素子及びその製造方法に関し、特に、絶縁層開口部に関して、縦横比（＝孔深さ／開口幅）の高い開口部を形成した電子放出素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に電子放出素子は電子源の種類によって熱陰極を利用する方式と冷陰極を利用する方式に分類することができる。
【０００３】
ここで、冷陰極を利用する方式の電子放出素子としては、電界放出アレイ（ＦＥＡ）型、表面電導エミッション（ＳＣＥ）型、金属−絶縁層−金属（ＭＩＭ）型及び金属−絶縁層−半導体（ＭＩＳ）型などが知られている。
【０００４】
この中で、ＦＥＡ型電子放出素子は仕事関数が低いか縦横比（＝孔深さ／開口幅）の大きい物質を電子源として使用する場合、真空中で電界によって容易に電子が放出される原理を利用したものとして、モリブデン（Ｍｏ）またはシリコン（Ｓｉ）などを主材質とする先端が尖ったチップ構造物や、カーボンナノチューブと黒鉛及びダイアモンド状カーボンのようなカーボン系物質を電子源に適用した例が開発されている。
【０００５】
公知のＦＥＡ型電子放出素子で、第１基板上にはカソード電極と絶縁層、及びゲート電極が順次に形成され、ゲート電極と絶縁層に開口部が備えられて、開口部の内側のカソード電極上に電子放出部が形成される。そして第１基板に対向する第２基板の一面には蛍光層とアノード電極が提供される。
【０００６】
ここで、絶縁層はスクリーン印刷と乾燥及び焼成過程を数回繰り返して大体５乃至３０μｍの厚さで形成され、１回の湿式エッチングでパターニングされて開口部を形成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、湿式エッチングは、乾式エッチングと違い、等方性でエッチングが進められるので、絶縁層は垂直方向だけでなく水平方向にもエッチングされる。従って、開口部の幅が開口部の深さより大きくなって、その結果従来の開口部は実質的に１以下の縦横比を有する。
【０００８】
このような現象は、絶縁層の厚さが大きくなるほどより深刻に生じ、微細パターニング工程を難しくする主要原因となっている。そのために、第１基板上に画素を稠密に配置することは難しいため、高解像度実現に不利で、一定の画素領域内に配置できる電子放出部の個数にも限界があるので、十分な電子放出量を実現することには難しい問題がある。
【０００９】
従って、本発明は、前記問題点を解消するためのものとして、本発明の目的は、絶縁層に形成される開口部の縦横比を高めて微細パターニングを可能にし、その結果高解像度と高輝度実現に有利な電子放出素子及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために本発明は、基板上にカソード電極を形成する段階と、カソード電極を覆いながら基板上面全体に絶縁層を形成する段階と、絶縁層を少なくとも２回以上湿式エッチングして１より大きい縦横比を有する開口部を形成する段階と、絶縁層上にゲート電極を形成する段階と、絶縁層の開口部の内側でカソード電極上に電子放出部を形成する段階と、を含む電子放出素子の製造方法を提供する。
【００１１】
前記それぞれのエッチングは同じ大きさの開口部を有するそれぞれのマスクパターンを利用して行う。
【００１２】
前記それぞれのエッチングは、アンダーカットが発生するように行う。
【００１３】
また、上記の目的を達成するために本発明は、基板上にカソード電極を形成する段階と、カソード電極を覆いながら基板上面全体に絶縁層を形成する段階と、絶縁層上に開口部を有する第１マスクパターンを形成する段階と、第１マスクパターンの開口部によって露出された絶縁層部位を湿式エッチングで１次エッチングし、第１マスクパターンを除去する段階と、絶縁層表面に第１マスクパターンの開口部と同じ大きさの開口部を有する第２マスクパターンを形成する段階と、第２マスクパターンの開口部によって露出された絶縁層部位を湿式エッチングで２次エッチングし、第２マスクパターンを除去する段階と、絶縁層表面に第１マスクパターンの開口部と同じ大きさの開口部を有する第３マスクパターンを形成する段階と、第３マスクパターンの開口部によって露出された絶縁層部位を湿式エッチングで３次エッチングし、第３マスクパターンを除去する段階と、絶縁層上にゲート電極を形成する段階と、絶縁層の開口部内側でカソード電極上に電子放出部を形成する段階と、を含む電子放出素子の製造方法を提供する。
【００１４】
前記１次エッチングは、絶縁層厚さの１／３程度が除去されるように行って、前記２次エッチングは１次エッチング後に残った絶縁層厚さの１／２程度が除去されるように行う。
【００１５】
前記１次エッチングと２次エッチング及び３次エッチングは、アンダーカットが発生するように行う。
【００１６】
また、上記の目的を達成するために本発明は、互いに対向配置される第１基板及び第２基板と、第１基板上に形成されるカソード電極と、カソード電極上に形成される電子放出部と、カソード電極上に形成されてそれぞれの電子放出部形成位置に１より大きい縦横比を有した開口部を形成する絶縁層と、絶縁層上に形成されるゲート電極と、第２基板上に形成される蛍光層と、蛍光層の一面に形成される少なくとも一つのアノード電極と、を含む電子放出素子を提供する。
【００１７】
前記絶縁層は、５乃至３０μｍの厚さを有する。
【００１８】
前記電子放出部は、カーボンナノチューブ、黒鉛、黒鉛ナノファイバー、ダイアモンド、ダイアモンド状カーボン、Ｃ６０及びシリコンナノワイヤーからなる群より選択された少なくとも一つの物質を含む。
【発明の効果】
【００１９】
このように本発明による製造方法によると、第１基板上に電子放出のための構造物を製作する時、微細パターニングが可能に成る。従って、制限されたサブピクセル領域内により多くの数の電子放出部を配置したり、サブピクセル領域の大きさを小さく形成したりすることができる。前者の場合、電子放出量を増やすことで画面の輝度を高めることに有効で、後者の場合高解像度の実現に有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図を参照にして、本発明の好ましい実施例をより詳細に説明する。
【００２１】
図１Ａ乃至図１Ｈを参考にして、本発明の実施例による電子放出素子の製造方法について説明する。
【００２２】
まず、図１Ａに示すように、第１基板２上に一方向に沿ってカソード電極４を形成し、カソード電極４を覆うように第１基板２全体に絶縁層６を形成する。絶縁層６はスクリーン印刷と乾燥及び焼成過程を数回繰り返して形成し、大体５乃至３０μｍの厚さに形成する。
【００２３】
その次に、絶縁層６上に開口部８１を有する第１マスクパターン８を形成する。第１マスクパターン８は、感光層を用いて形成できて、この感光層を、露光マスク（図示せず）を利用した公知のフォトリソグラフィ工程でパターニングして開口部８１を形成する。
【００２４】
次に図１Ｂに示すように、第１マスクパターン８の開口部８１によって露出された絶縁層６の部位を所定厚さに湿式エッチングして１次エッチング部６１を形成する。この過程で第１マスクパターン８の下部にアンダーカットが発生するようにエッチングして１次エッチング部６１の最大幅を第１マスクパターン８の開口部８１の幅より大きく形成して、好ましくは絶縁層６厚さの１／３程度をエッチングして１次エッチング部６１を形成する。このように１次エッチング部６１を形成した後、第１マスクパターン８を除去する。
【００２５】
次に図１Ｃに示すように、絶縁層６上に開口部１０１を有する第２マスクパターン１０を形成する。第２マスクパターン１０も感光層で形成されて、この感光層を露光マスク（図示せず）を利用した公知のフォトリソグラフィ工程でパターニングして開口部１０１を形成する。
【００２６】
この時、露光マスクは、第１マスクパターン８の形成に使用された露光マスクと同じものを使用する。これで第２マスクパターン１０に第１マスクパターン８の開口部８１と同じ大きさの開口部１０１を形成して、第２マスクパターン１０は、１次エッチング部６１の側壁を覆いながら形成される。
【００２７】
そして図１Ｄに示すように、第２マスクパターン１０の開口部１０１によって露出された絶縁層６の部位を所定厚さに湿式エッチングして２次エッチング部６２を形成する。この過程でも第２マスクパターン１０の下部にアンダーカットが発生するようにエッチングして２次エッチング部６２の最大幅を第２マスクパターン１０の開口部１０１の幅より大きく形成して、好ましくは残留絶縁層６の厚さの１／２程度をエッチングして２次エッチング部６２を形成する。２次エッチング部６２を形成した後、第２マスクパターン１０を除去する。
【００２８】
次に図１Ｅに示すように、絶縁層６上に開口部１２１を有する第３マスクパターン１２を形成する。第３マスクパターン１２も第２マスクパターン１０の開口部１０１と同一寸法の開口部１２１を形成する。このために第３マスクパターン１２を感光層で形成して、第２マスクパターン１０形成に使用されたものと同一露光マスクを利用してこの感光層をフォトリソグラフィ工程でパターニングする。これで第３マスクパターン１２は２次エッチング部６２の側壁を覆いながら形成される。
【００２９】
そして図１Ｆに示すように、第３マスクパターン１２の開口部１２１により露出された絶縁層６部位を全てエッチングしてカソード電極４を露出させる３次エッチング部６３を形成する。この過程でも第３マスクパターン１２の下部にアンダーカットが発生するようにエッチングして３次エッチング部６３の最大幅を第３マスクパターン１２の開口部１２１の幅より大きく形成する。
【００３０】
次に図１Ｇに示すように第３マスクパターン１２を除去して絶縁層６の開口部６４の形成を完了する。
【００３１】
このように３回のフォトリソグラフィ工程と３回の湿式エッチング工程を経て絶縁層６に開口部６４を形成することにより、完成した開口部６４は、１より大きい縦横比を有する。
【００３２】
一方、前記では３回のフォトリソグラフィ工程と３回のエッチング工程を適用して絶縁層６に開口部６４を形成したが、絶縁層６の厚さによってフォトリソグラフィ工程とエッチング工程を２回適用することができ、３回以上適用することもできる。
【００３３】
次に図１Ｈに示すように、絶縁層６上にゲート電極１４を形成し、絶縁層６の開口部６４の内側に電子放出部１６を形成する。電子放出部１６は真空中で電界がかかると電子を放出する物質、たとえばカーボン系物質またはナノメートルサイズの物質で作られる。電子放出部１６での使用が好ましい物質としては、カーボンナノチューブ、黒鉛、黒鉛ナノファイバー、ダイアモンド、ダイアモンド状カーボン、Ｃ６０、シリコンナノワイヤー及びこれらの組み合わせの物質がある。
【００３４】
前記電子放出部１６の形成は、前記電子放出物質にビヒクルとバインダーなどの有機物を混合して印刷に適した粘度を有するペースト状混合物を製作して、これをスクリーン印刷、乾燥及び焼成する過程で行うことができる。また、電子放出部１６の形成は、前記ペースト状混合物に感光性物質を含ませて、このペースト状混合物を第１基板上面全体にスクリーン印刷した後、この混合物を部分的に硬化させて、現像により硬化されることのない混合物を除去する過程で行うことができる。
【００３５】
他方で、直接成長、化学気相蒸着またはスパッタリングなどの方法を適用して電子放出部１６を形成することができる。
【００３６】
このように本実施例によると、フォトリソグラフィ工程と湿式エッチング工程を少なくとも２回以上行って、絶縁層６に１より大きい縦横比を有する開口部６４を容易に形成することができる。完成した開口部６４は、図２に示すように、１次エッチング部６１の側壁と２次エッチング部６２の側壁の間に両側壁と所定の角度を有する第１境界面６５が位置して、２次エッチング部６２の側壁と３次エッチング部６３の側壁の間に両側壁と所定の間隔を有する第２境界面６６が位置する形状的特徴が予想される。
【００３７】
次に本発明の一実施例による電子放出素子について説明する。
【００３８】
図３と図４を参照すると、本実施例の電子放出素子は所定の間隔をおいて互いに対向配置される第１基板２と第２基板２０を含む。この基板のうちの第１基板２には、電子放出のための構造物が備えられ、第２基板２０には電子によって可視光を放出して任意の発光または表示を行うための構造物が備えられる。
【００３９】
まず、第１基板２上にはカソード電極４が第１基板２の一方向（図面のｙ軸方向）に沿って帯状のパターンを形成し、カソード電極４を覆いながら第１基板２全体に絶縁層６が形成される。絶縁層６上にはゲート電極１４がカソード電極４と直交する方向（図面のｘ軸方向）に沿って帯状のパターンを形成する。
【００４０】
カソード電極４とゲート電極１４の交差領域がサブピクセル領域をなし、カソード電極４上にサブピクセル領域ごとに電子放出部１６が形成される。そして絶縁層６とゲート電極１４には各電子放出部１６に対応する開口部６４、１４１が形成されて第１基板２上に電子放出部１６が露出されるようにする。
【００４１】
電子放出部１６は真空中で電界がかかれば、電子を放出する物質、たとえばカーボン系物質またはナノメートルサイズの物質から成る。電子放出部１６に使うことが好ましい物質としては、カーボンナノチューブ、黒鉛、黒鉛ナノファイバー、ダイアモンド、ダイアモンド状カーボン、Ｃ６０、シリコンナノワイヤー及びこれらを組み合わせた物質があって、電子放出部１６の製造法としてはスクリーン印刷、直接成長、化学気相蒸着またはスパッタリングなどを用いることができる。
【００４２】
図面では電子放出部１６が円形に形成され、各サブピクセル領域でカソード電極４の長さ方向に沿って一列に配列される構成を示した。しかし、電子放出部１６の平面形状とサブピクセル当りの個数及び配列形態等は図示の例に限定されることがなく多様に変形可能である。
【００４３】
次に、第１基板２に対向する第２基板２０の一面には蛍光層２２、一例として赤色、緑色及び青色の蛍光層が任意の間隔をおいて形成され、各蛍光層２２の間に画面のコントラスト向上のための黒色層２４が形成される。蛍光層２２と黒色層２４上にはアルミ（Ａｌ）のような金属膜から成るアノード電極２６が形成される。アノード電極２６は外部から電子ビーム加速に必要な高電圧を印加されて、蛍光層２２から放射された可視光のうちの第１基板２に向かって放射された可視光を第２基板２０側に反射させ画面の輝度を高める役割を果たす。
【００４４】
一方、アノード電極は金属膜ではないＩＴＯ（インジウム錫酸化物）のような透明導電膜で形成できる。この場合、アノード電極は、第２基板に向かう蛍光層と黒色層の一面に位置し、所定のパターンに区分されて複数個に形成することができる。
【００４５】
前記第１基板２と第２基板２０は、その間にスペーサ２８を配置した状態でガラスフリットのようなシーリング材により縁が一体に接合されて、内部空間を排気して真空状態を維持することによって電子放出素子を構成する。
【００４６】
前記構成の電子放出素子は、外部からカソード電極４、ゲート電極１４及びアノード電極２６に所定の電圧を供給して駆動するが、カソード電極４とゲート電極１４には数乃至数十ボルトの電圧差を有する駆動電圧が印加され、アノード電極２６には数百乃至数千ボルトの（+）電圧が印加される。
【００４７】
従って、カソード電極４とゲート電極１４間の電圧差が臨界値以上であるサブピクセルで電子放出部１６周囲に電界が形成されて、これから電子が放出されて、放出された電子はアノード電極２６に印加された高電圧に導かれ、対応する蛍光層２２に衝突することによってこれを発光させる。
【００４８】
ここで、本実施例の電子放出素子は、前記製造方法に基づいて絶縁層６に開口部６４を形成することによって、絶縁層６の開口部６４は、その深さが幅より大きく形成され、実質的に１以上の大きい縦横比を有する。
【００４９】
前記では本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付図の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これらも本発明の範囲に属することは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１Ａ】本発明の実施例による電子放出素子の製造方法を説明するための順次的工程断面図である。
【図１Ｂ】本発明の実施例による電子放出素子の製造方法を説明するための順次的工程断面図である。
【図１Ｃ】本発明の実施例による電子放出素子の製造方法を説明するための順次的工程断面図である。
【図１Ｄ】本発明の実施例による電子放出素子の製造方法を説明するための順次的工程断面図である。
【図１Ｅ】本発明の実施例による電子放出素子の製造方法を説明するための順次的工程断面図である。
【図１Ｆ】本発明の実施例による電子放出素子の製造方法を説明するための順次的工程断面図である。
【図１Ｇ】本発明の実施例による電子放出素子の製造方法を説明するための順次的工程断面図である。
【図１Ｈ】本発明の実施例による電子放出素子の製造方法を説明するための順次的工程断面図である。
【図２】本発明の製造方法によって完成した絶縁層の形状的特徴を概略的に示した部分断面図である。
【図３】本発明の実施例による電子放出素子の部分分解斜視図である。
【図４】本発明の実施例による電子放出素子の部分断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
２  第１基板
４  カソード電極
６  絶縁層
８  第１マスクパターン
１０  第２マスクパターン
１２  第３マスクパターン
１４  ゲート電極
１６  電子放出部
２０  第２基板
２２  蛍光層
２４  黒色層
２６  アノード電極
２８  スペーサ
６１  １次エッチング部
６２  ２次エッチング部
６３  ３次エッチング部
６４  開口部
６５  第１境界面
６６  第２境界面
８１  開口部
１０１  開口部
１２１  開口部
１４１  開口部
【図１Ａ】
2006049287.tif 000003
【図１Ｂ】
2006049287.tif 000004
【図１Ｃ】
2006049287.tif 000005
【図１Ｄ】
2006049287.tif 000006
【図１Ｅ】
2006049287.tif 000007
【図１Ｆ】
2006049287.tif 000008
【図１Ｇ】
2006049287.tif 000009
【図１Ｈ】
2006049287.tif 000010
【図２】
2006049287.tif 000011
【図３】
2006049287.tif 000012
【図４】
2006049287.tif 000013