(57)【要約】【課題】電子放出の際、酸素の影響を受けず、カーボンファイバー型エミッタ先端の劣化を防止することができる電界電子放出装置とその製造方法を提供する。【解決手段】ガラス基板１上にカソード電極２が形成され、カソード電極２上には、開口部を有する絶縁膜３が形成されている。絶縁膜３の上には、同じく開口部を有するゲート電極４が形成されている。開口部内の露出したカソード電極２上にはカーボンファイバー５が形成されている。エミッタとなるカーボンファイバー５は先端部を含め、表面が炭化膜５ａで覆われている。【選択図】        図１
2008091263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンファイバー型エミッタを備えた電界電子放出装置であって、
前記エミッタの表面に、エミッタの劣化を防止する炭化膜を形成したことを特徴とする電界電子放出装置。
【請求項２】
前記炭化膜は、炭素より仕事関数が低いことを特徴とする請求項１に記載の電界電子放出装置。
【請求項３】
前記炭化膜は、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の電界電子放出装置。
【請求項４】
カーボンファイバー型エミッタを備えた電界電子放出装置の製造方法であって、
前記エミッタの表面に炭化膜を形成するための材料を堆積させる第１工程と、
アニールにより前記材料とエミッタを構成する炭素との反応から炭化膜をエミッタ表面に形成する第２工程とを備えたことを特徴とする電界電子放出装置の製造方法。
【請求項５】
前記エミッタが設けられるカソード電極とゲート電極との間には絶縁膜が形成されており、前記第１工程の前に、隣接するゲート電極間の絶縁膜を所定深さまで除去しておくことを特徴とする請求項４に記載の電界電子放出装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブ等を用いたカーボンファイバー型の電界電子放出装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＥＤ（フィールドエミッションディスプレイ）、ＳＴＭ（走査トンネル顕微鏡）、電子描画装置の電子放出源には、電界電子放出装置が用いられている。この電界電子放出装置には、最近、高い機械的強度及び優れた電気的性能を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、グラファイトナノファイバー（ＧＮＦ）などのカーボンファイバー型エミッタが用いられる。
【０００３】
カーボンファイバー型エミッタを有する電界電子放出装置は、例えば、特許文献１や特許文献２に示されるように、下部には基板上に形成されるカソード電極が存在し、上部には電子を引き出すための電極としてゲート電極が、カソード電極とゲート電極との間には絶縁層が設けられた構造を有する。カソード電極の一部を露出させるエミッタホールの内部には、エミッタが形成されている。
【０００４】
そして、カソード電極とゲート電極との間に電圧を印加すると、エミッタの先端に大きな電界が加わり、電子放出が起きる。カーボンファイバー型の電界電子放出装置は、エミッタの先端がナノオーダーで細く、アスペクト比が高いため、比較的低い電圧で電界集中が、エミッタ先端に生じ、低電圧での駆動が可能となる利点がある。
【特許文献１】特開２００３−５９４３６号公報
【特許文献２】特開２００６−４９３２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の電界電子放出装置におけるエミッタ材料は、カーボン（炭素）により構成されているので、カーボンファイバーを構成しているグラファイトに欠陥が存在し、装置内の真空度が悪い場合には、電子放出の際に酸素の影響を受けて酸化現象が発生し、エミッタ材料の一部が、ＣＯ２、ＣＯと炭素酸化物となって、空中に遊離するので、先端部から短くなっていくという問題があった。
【０００６】
また、先端部分が短くなると、ゲート電極とエミッタ先端との距離が離れるために、エミッタ先端部の電界が弱まり、電子を引き出すためには、さらに大きな電圧を印加する必要があるが、このように印加電圧を増大させると、電子放出の際、再びエミッタ先端部が上記のように酸素の影響を受けて、エミッタ材料の炭素が空中に遊離して、エミッタの長さは一層短くなり、再び印加電圧を増加させなければならない。以上の作用が繰り返されると、エミッタ先端部はどんどん短くなり、最終的には、電界電子放出装置として使えなくなるので、寿命が非常に短くなっていた。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、電子放出の際、酸素の影響を受けず、カーボンファイバー型エミッタ先端の劣化を防止することができる電界電子放出装置とその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、カーボンファイバー型エミッタを備えた電界電子放出装置であって、前記エミッタの表面に、エミッタの劣化を防止する炭化膜を形成したことを特徴とする電界電子放出装置である。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、前記炭化膜は、炭素より仕事関数が低いことを特徴とする請求項１に記載の電界電子放出装置である。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、前記炭化膜は、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の電界電子放出装置である。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、カーボンファイバー型エミッタを備えた電界電子放出装置の製造方法であって、前記エミッタの表面に炭化膜を形成するための材料を堆積させる第１工程と、アニールにより前記材料とエミッタを構成する炭素との反応から炭化膜をエミッタ表面に形成する第２工程とを備えたことを特徴とする電界電子放出装置の製造方法である。
【００１２】
また、請求項５記載の発明は、前記エミッタが設けられるカソード電極とゲート電極との間には絶縁膜が形成されており、前記第１工程の前に、隣接するゲート電極間の絶縁膜を所定深さまで除去しておくことを特徴とする請求項４に記載の電界電子放出装置の製造方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、カーボンファイバー型エミッタの劣化を防止する炭化膜をエミッタ表面に形成しており、この炭化膜は、電界集中による先端部の加熱や酸化に強い保護膜となるので、特にエミッタ先端部の劣化を防止することができる。また、この炭化膜の仕事関数を炭素よりも小さくすることで、エミッタ先端の電界強度を高めることができ、駆動電圧を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１（ａ）は本発明の電界電子放出装置の１素子分の基本的断面構造を示す。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）のカーボンファイバー５の１本分を拡大表示したものを示す。
【００１５】
図１（ａ）のように、ガラス基板１上にカソード電極（陰極）２が形成され、カソード電極２上には、開口部を有する絶縁膜３が形成されている。絶縁膜３の上には、同じく開口部を有するゲート電極４が設けられている。開口部内の露出したカソード電極２上にはカーボンファイバー（炭素ファイバー）５が形成されている。
【００１６】
カーボンファイバー５は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、グラファイトナノファイバー（ＧＮＦ）等の炭素ナノ構造体により構成されている。カーボンファイバー５は、電界電子放出装置におけるエミッタに相当するもので、カソード電極２とゲート電極４との間に電圧が印加されると、エミッタ先端（カーボンファイバー５の先端）から電子が放出されるものである。
【００１７】
特徴的なのは、図１（ｂ）に示すように、カーボンファイバー５は先端部を含め、表面が炭化膜５ａで覆われていることである。この炭化膜５ａは、エミッタ先端部の電界集中による加熱や酸化に強いので、電子放出の際、先端部が酸化され、カーボンファイバー５を構成する炭素がＣＯやＣＯ２となって遊離することを防止することができ、カーボンファイバー５の長さが短くなることを防ぐことができる。
【００１８】
この炭化膜５ａには、ＴｉＣ（チタンカーバイド）、ＺｒＣ（ジルコニアカーバイド）、ＴａＣ（タンタルカーバイド）、ＮｂＣ（ニオブカーバイド）等が用いられる。例えば、ＴｉＣ（チタンカーバイド）の場合、融点が３０００℃以上と高く、化学的に安定であり、また、仕事関数が３．７〜３．８ｅＶと炭素の仕事関数４〜５ｅＶよりも低くなるので、低電圧駆動を行うことができる。
【００１９】
なお、上記ＴｉＣ以外の炭化膜による仕事関数は、ＺｒＣでは３．５ｅＶ、ＴａＣでは３．０５〜３．９８ｅＶ、ＮｂＣでは、２．２４〜４．１ｅＶであり、いずれも炭素の仕事関数よりも低くなっており、融点が３０００℃以上と高い。
【００２０】
次に、図１の電界電子放出装置の製造方法を説明する。まず、図３に示すように、ガラス基板１上にカソード電極層２１をスパッタ等により積層する。カソード電極層２１にはＣｒ、Ｍｏ等を用いる。本実施例では、Ｃｒを用いて説明する。
【００２１】
次にレジスト６を塗布し、露光を行ってレジスト６をストライプ状にパターニングを行い、酸エッチャントを用いたウエットエッチングにより、ストライプ状のカソード電極２を複数ライン形成し、図４のように、レジスト６を有機溶剤による超音波洗浄等で除去する。このとき、ストライプ状のカソード電極２は、例えば、図２のように作製される。
【００２２】
その後、例えばＳｉＯ２の絶縁膜３を形成し、図５のように絶縁膜３上にゲート電極層４１を堆積させる。ゲート電極層４１には、Ｃｒ、Ｍｏ等を用いることができるが、本実施例ではカソード電極２と同様Ｃｒを用い、スパッタによりゲート電極層４１を積層する。
【００２３】
図６のように、レジスト７を塗布し、露光を行ってレジスト７を図７のようにストライプ状にパターニングを行い、酸エッチャントを用いたウエットエッチングにより、図８のようにストライプ状のゲート電極４を複数ライン形成する。このとき、ゲート電極４だけでなく、絶縁膜３についても緩衝フッ酸溶液を用いてウエットエッチングを行い、図のように、絶縁膜３を少し掘り下げておく。カソード電極２とゲート電極４とはいずれもストライプ状に形成され、縦横にクロスするように形成される。
【００２４】
次に、レジスト７を有機溶剤による超音波洗浄等で除去した後、図９のように、レジスト８を塗布する。エミッタホールを形成するために、図１０のように、露光を行ってレジスト８の一部に開口部を形成するようにパターニングを行う。開口部は円形状や多角形状等環状に形成される。図１１に示すように、ウエットエッチングを行って、ゲート電極４の一部を除去し、さらに、絶縁層３のウエットエッチングを行って、カソード電極２を露出させ、エミッタホールとなる凹部を作製する。
【００２５】
ゲート電極４は、酸系溶液でウエットエッチングを行い、絶縁膜３のウエットエッチングには、緩衝フッ酸溶液を用いる。
【００２６】
次に、図１２に示すように、レジスト８の上から炭素の触媒９をスパッタにより堆積させる。そして、レジスト８をリフトオフしてエミッタホール内のカソード電極２上に堆積した触媒９のみを残すようにした後、図１３に示すように、ＣＶＤ装置内に一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）を供給して、触媒９を基礎としてカーボンファイバー（エミッタ）５を成長させる。
【００２７】
そして、図１４に示すように、炭化膜の原材料となるＴｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭化材料１０をスパッタにより数ｎｍ程度堆積させる。このとき、図のＡで示される領域を挟んで隣接するゲート電極４の間にも炭化材料１０が堆積する。
【００２８】
図のＡで示される領域を挟んで隣接する２つのゲート電極４は、異なる素子のエミッタに電界を加えるためのものであり、別々に動作するものである。しかし、炭化材料１０は金属であり、導電性を有するために隣接するゲート電極４を繋ぐように炭化材料１０がＡの領域に堆積してしまうと、隣接するゲート電極４間で短絡が発生してしまう。
【００２９】
しかし、図８の製造工程で、炭化材料１０の堆積高さよりも絶縁膜３の掘り下げ深さが大きくなるようにウエットエッチングを行っているので、堆積した炭化材料１０によって、隣接するゲート電極４間が接続されることを防ぐことができ、短絡を防止できる。
【００３０】
次に、水素（Ｈ２）を供給した還元雰囲気中における急速アニール（ＲＴＡ：Rapid Thermal Anneal）によって、室温から５５０℃〜６００℃まで急速加熱を行い、図１５に示すように、エミッタ表面に炭化膜５ａを形成する。炭化材料１０が、上記のようにＴｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂのいずれかであれば、炭化膜５ａは、各々ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＮｂＣとなる。以上のようにして、電界電子放出装置が完成する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明における電界電子放出装置の１素子分の断面構造を示す図である。
【図２】電界電子放出装置のカソード電極の配置状態を示す図である。
【図３】本発明における電界電子放出装置の一製造工程を示す図である。
【図４】本発明における電界電子放出装置の一製造工程を示す図である。
【図５】本発明における電界電子放出装置の一製造工程を示す図である。
【図６】本発明における電界電子放出装置の一製造工程を示す図である。
【図７】本発明における電界電子放出装置の一製造工程を示す図である。
【図８】本発明における電界電子放出装置の一製造工程を示す図である。
【図９】本発明における電界電子放出装置の一製造工程を示す図である。
【図１０】本発明における電界電子放出装置の一製造工程を示す図である。
【図１１】本発明における電界電子放出装置の一製造工程を示す図である。
【図１２】本発明における電界電子放出装置の一製造工程を示す図である。
【図１３】本発明における電界電子放出装置の一製造工程を示す図である。
【図１４】本発明における電界電子放出装置の一製造工程を示す図である。
【図１５】本発明における電界電子放出装置の一製造工程を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    ガラス基板
２    カソード電極
３    絶縁膜
４    ゲート電極
５    カーボンファイバー（エミッタ）
５ａ  炭化膜
【図１】
2008091263.tif 000003
【図２】
2008091263.tif 000004
【図３】
2008091263.tif 000005
【図４】
2008091263.tif 000006
【図５】
2008091263.tif 000007
【図６】
2008091263.tif 000008
【図７】
2008091263.tif 000009
【図８】
2008091263.tif 000010
【図９】
2008091263.tif 000011
【図１０】
2008091263.tif 000012
【図１１】
2008091263.tif 000013
【図１２】
2008091263.tif 000014
【図１３】
2008091263.tif 000015
【図１４】
2008091263.tif 000016
【図１５】
2008091263.tif 000017