(57)【要約】【課題】電子放出素子の作製プロセスを簡易化するとともに、長期に渡り表示品位に優れた画像形成装置を安価に製造し得るカーボンファイバーからなる膜のパターニング方法を提供する。【解決手段】（Ａ）リフトオフ層７と、このリフトオフ層７が配置されていない領域に配置された触媒層６とを、その表面に有する基体１を用意する工程と、（Ｂ）炭化水素ガスを含む雰囲気中で前記基体１を加熱することにより、少なくとも触媒層６が配置されていた領域内の基体表面上に複数のカーボンファイバー４を形成する工程と、（Ｃ）前記工程（Ｂ）の後に、リフトオフ層７を除去する工程と、を有することを特徴とする。【選択図】      図４
2004281159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数のカーボンファイバーからなる膜のパターニング方法であって、
（Ａ）リフトオフ層と、前記リフトオフ層が配置されていない領域に配置された触媒層とを、その表面に有する基体を用意する工程と、
（Ｂ）炭化水素ガスを含む雰囲気中で前記基体を加熱することにより、少なくとも前記触媒層が配置されていた領域内の前記基体表面上に複数のカーボンファイバーを形成する工程と、
（Ｃ）前記工程（Ｂ）の後に、前記リフトオフ層を除去する工程と、
を有することを特徴とする多数のカーボンファイバーからなる膜のパターニング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンファイバーのパターニング方法に関するものであり、さらに電子放出素子の製造方法、および電子放出素子を多数配置してなる電子源の製造方法、並びに電子源を用いて構成した表示装置などの画像形成装置、さらにランプなどの発光装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＮＴ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏ  Ｔｕｂｅ）等のカーボンファイバーを電子放出素子として利用する動きが活発である。ＣＮＴ等のカーボンファイバーはナノサイズの直径を有しながらミクロン単位の長さを有しているため、極めて尖鋭なアスペクト比の大きい形状をしている。カーボンファイバーを電子放出部材として利用し、引き出し電極を対向させ、該引出し電極に正電圧を印可すると、カーボンファイバーの先端部にて電界強調効果が起き、数Ｖ／μｍ程度の極めて低い電界強度で電子を放出できる。
【０００３】
このカーボンファイバーを用いた電子放出素子をＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）の電子源として利用する動向がある（特許文献１、特許文献２など参照）。上記特許文献においては、まずアーク放電法などで予めＣＮＴを作製し、このＣＮＴをホトレジストなどの溶媒に混ぜてペーストを作成し、該ペーストを印刷などの方法で所望の位置に配置する方法などが開示されている。さらに特許文献３では予め用意したＣＮＴを基板に塗布、圧着、埋め込みなどの方法で基板にＣＮＴを据え付けて、これをリソグラフィー技術でパターニングする技術が提案されている。また、基板上にＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏなどの触媒を配置し、該基板を炭化水素雰囲気中で加熱することで、基板上に直接カーボンファイバーを成長させる方法（「シード法」と呼ばれる）も、特許文献４や、非特許文献１等に開示されている。この方法は簡単にカーボンファイバーを備えた電極を作製できるため、コスト低減などに役立つ技術である。また、上記シード法を用いて電子源を作製する方法が特許文献５に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−９０８０９号公報
【特許文献２】
特開２０００−２０４３０４号公報
【特許文献３】
特開平１０−１４９７６０号公報
【特許文献４】
特開２００１−２８６２５号公報
【特許文献５】
特許第２９０３２９０号公報
【非特許文献１】
Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｖｏｌ．２８３  （１９９９）５１３
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のようにカーボンファイバーのパターニング方法は色々考え出されているが、それぞれ一長一短あるために一般的には未だ確立していない部分である。特に、シード法を用いて、配向特性を持たないカーボンファイバーを形成する場合には、触媒の配置領域を予め設計するだけでは、基板上に成長するカーボンファイバーの成長領域までも高精度に制御することは困難であった。すなわち、配向性を持たないカーボンファイバーは、基板上の成長起点となる触媒微粒子から任意な方向に成長する。このため、このようなカーボンファイバーを用いた電子放出素子、電子源、ディスプレイ等を作製した場合、個々の電子放出素子の電子放出特性バラツキ等が生じることがあった。カーボンファイバーを用いた電子放出素子は以上述べた課題を解決し、更なる特性向上、簡易・安価な作製プロセスを提案することが望まれている。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題を解決するものであって、特にカーボンファイバーの厳密な位置制御を行うことができ、また電子放出素子の製造工程も簡略化可能で、かつ電子放出特性の改善をも行うことのできるカーボンファイバーのパターニング方法、電子放出素子、電子源、画像形成装置並びに発光装置の製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述する課題を解決するために鋭意検討を行ってなされたものであり、下述する構成のものである。
【０００８】
即ち、本発明は、多数のカーボンファイバーからなる膜のパターニング方法であって、（Ａ）リフトオフ層と、前記リフトオフ層が配置されていない領域に配置された触媒層とを、その表面に有する基体を用意する工程と、（Ｂ）炭化水素ガスを含む雰囲気中で前記基体を加熱することにより、少なくとも前記触媒層が配置されていた領域内の前記基体表面上に複数のカーボンファイバーを形成する工程と、（Ｃ）前記工程（Ｂ）の後に、前記リフトオフ層を除去する工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、多数のカーボンファイバーを有する電子放出素子の製造方法であって、（Ａ）電極層と、該電極層の表面の一部を覆うリフトオフ層と、前記リフトオフ層に覆われていない前記電極層の表面に配置された触媒層と、を有する基体を用意する工程と、（Ｂ）炭化水素ガスを含む雰囲気中で前記基体を加熱することにより、少なくとも前記触媒層が配置されていた領域内の前記電極層上に複数のカーボンファイバーを形成する工程と、（Ｃ）前記工程（Ｂ）の後に、前記リフトオフ層を除去する工程と、を有することを特徴とする。
【００１０】
上記本発明の多数のカーボンファイバーからなる膜のパターニング方法、及び、電子放出素子の製造方法においては、前記基体を加熱する温度が６００℃未満であることが好ましい。また、前記触媒が、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのいずれかを含むことが好ましい。そしてまた、前記リフトオフ層が、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＢＰＳＧのいずれかから構成されてなることが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、複数の電子放出素子を有する電子源の製造方法であって、前記電子放出素子が上記本発明の電子放出素子の製造方法により製造されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、電子源と、発光部材とを有する画像形成装置の製造方法であって、前記電子源が上記本発明の電子源の製造方法により製造されることを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明は、電子放出素子と、発光部材とを有する発光装置の製造方法であって、前記電子放出素子が上記本発明の電子放出素子の製造方法により製造されることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、従来困難であった配向性の低いカーボンファイバーの集合体からなる膜のマクロ的な形態を精密にパターニングすることが可能である。そのため、この方法を用いて電子放出素子、電子源、画像形成装置等を作製した場合、複数の電子放出素子間の特性バラツキを減じることが可能である。さらにパターニング・プロセスは簡易かつ安価なものであるため、本発明の電子放出素子を複数配置した電子源、画像形成装置（ディスプレイ）、並びにランプなどの発光装置を安価かつ簡易に作製することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の多数のカーボンファイバーからなる膜のパターニング方法、これを用いた電子放出素子、電子源、画像形成装置および発光装置の製造方法について、好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。同様に以下に記述する製造工程も唯一のものではない。
【００１６】
尚、本発明における「カーボンファイバー」或いは「カーボンを主成分とするファイバー」とは、カーボンを主体としており、直径と長さの比が大きい（典型的にはアスペクト比（長さ／直径）が１０以上、好ましくは１００以上、さらに好ましくは１０００以上である）部材を指す。カーボンファイバーの具体的な物質例としては、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイトナノファイバー（ＧＮＦ）、アモルファスカーボンファイバー、ダイアモンドファイバーあるいはこれらが不定比の割合で混合したものをも含む。
【００１７】
カーボンナノチューブには、「シングルウォールカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）」と、「マルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）」とがある。
【００１８】
ＣＮＴは基本構造として、グラフェンシートを筒状（円筒状）に丸めたものを指している。このグラフェンシートの筒１つで成り立っているファイバーがＳＷＣＮＴであり、グラフェンシートの筒が、他のグラフェンシートの筒の中に入っているものがＭＷＣＮＴである。そのため、ＣＮＴは、その軸方向（ファイバーの長手方向）に対して実質的に垂直方向にｃ軸が配置されることになる。
【００１９】
一方、ＧＮＦは、グラフェン（上述したＣＮＴにおけるグラフェンシートよりも小さい）がファイバーの軸方向（長手方向）に積層されたものを指している。このため、ＧＮＦは基本的に、ファイバーの軸方向（ファイバーの長手方向）に対して、グラフェンのｃ軸が非平行になるように、複数のグラフェンが積み重なっているものを指している。ファイバーの軸方向（ファイバーの長手方向）に対してｃ軸が略平行になっているものがプレートレット型のＧＮＦであり、円錐状のグラフェンがファイバーの軸方向に積み重なっているものがヘリングボーン型と呼ばれる。ヘリングボーン型には、Ｖ字状のグラフェンシートがファイバーの軸方向に積み重なった形態も含まれる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態に係る多数のカーボンファイバーからなる膜のパターニング方法を用いた電子放出素子の製造方法について、図面を参照して詳しく説明する。
【００２１】
図１は本発明の製造方法を用いて作製した電子放出素子の一例を表す模式図であり、図１（ａ）はその平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＡ−Ａ’断面図である。４はエミッター材料（「電子放出材料」、「電子放出部材」）であるカーボンファイバーである。
【００２２】
図１においては、陰極電極３と引出し電極２が基体１の表面上に間隔を置いて配置され、陰極電極３表面の特定部位に複数のカーボンファイバーからなる膜４が配置されている電子放出素子の例を示しているが、素子の構成としてはこの例に限るものではなく、例えば図２、図３のような構成にも適用することが可能である。
【００２３】
図２は陰極電極３を引出し電極２の上層に配置した素子構成の例で、図３は陰極電極３を引出し電極２の下層に配置した素子構成の例である。５は陰極電極３と引出し電極２の層間絶縁層である。
【００２４】
以下の工程（１）〜（５）に示すように、図４を用いて図１で示した構成の電子放出素子の製造方法の一例について説明する。
【００２５】
（１）  基体１を洗剤、純水および有機溶剤等を用いて十分に洗浄し、真空蒸着法、スパッタ法等により電極材料を堆積する。その後、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて基体１上に引出し電極（ゲート電極）２、陰極電極（カソード電極）３を形成する（図４（ａ））。
【００２６】
基体１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不純物含有量を減少させてＫなどに一部置換したガラス、青板ガラスの上あるいはシリコン基板等の上にスパッタ法等によりＳｉＯ２を積層した積層体、アルミナ等のセラミックス等、を用いることができる。
【００２７】
引出し電極２と陰極電極３は機能的に異なるので別の材料を用いても良いし、陰極電極３と同一の材料を引き出し電極２の材料に用いても構わない。材料としては、炭素、金属、金属窒化物、金属炭化物、金属硼化物、半導体、半導体の金属化合物等から適宜選択される。陰極電極３としては、Ｔｉ，Ｚｒ，もしくはＮｂの中から選ばれた材料の酸化物を少なくともその表面に有する形態が好ましい。これらの材料は、充分に低抵抗であること、カーボンファイバーの成長を阻害しない或いは成長を促進する材料であること、さらにカーボンファイバーとの良好な電気的接続をする材料であること等の理由から選択される。
【００２８】
（２）  引き出し電極２、陰極電極３を設けた基体１上に、カーボンファーバーのリフトオフ層７を堆積し、フォトリソグラフィー技術によってカーボンファイバーを形成したい領域のリフトオフ層７を除去する（図４（ｂ））。
【００２９】
リフトオフ層７は、カーボンファーバーとほぼ同等の膜厚まで形成するために高速成膜性および高速エッチング性、基体あるいは電極とのエッチング選択性、またカーボンファイバーの成長温度におけ耐熱性等が性能要件となる。特に好適なリフトオフ層材料は、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ），ＢＳＧ（Ｂｏｒｏｎｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ），ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ−Ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）が挙げられる。ＰＳＧ膜中のリン濃度は膜応力やエッチング速度等から最適化される。一般にリン濃度が小さい程内部応力が大きい。また、リン濃度が大きいほど表面不安定となるがエッチング速度は速くなる。カーボンファイバーのリフトオフ層として最適なＰＳＧ膜中のリン濃度はおよそ６〜１０ｗｔ％である。通常、カーボンファイバー（特にＧＮＦ）は、触媒核（触媒粒子）からランダムな方向に成長する。そのため、リフトオフ層７の膜厚を、最終的に得ようとしているカーボンファイバーの集合体からなる膜の膜厚と同等に形成しておくことで、カーボンファイバーの横方向（基板１の表面と平行な方向）への成長を抑制することができ、精度よく成長を制御することが可能となる。
【００３０】
（３）  リフトオフ層７に開口を形成した基体１に多数の触媒粒子６を堆積する（図４（ｃ））。
【００３１】
触媒微粒子は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｄ若しくはこれらの中から選択された材料の合金（特に好適にはＰｄとＣｏの合金）が好ましく用いられる。触媒粒子の形成方法としては、一般的な真空蒸着法、触媒粒子分散溶媒の塗布、有機金属錯体溶液の塗布等を用いることができる。
【００３２】
（４）  触媒粒子を堆積した基体１は、一酸化炭素、二酸化炭素、種々の炭化水素ガス、好ましくはこれらのガスと水素の混合雰囲気中で４００℃から６００℃程度に加熱される。このようにすることにより、カーボンファイバーを基体１上に形成する（図４（ｄ））。
【００３３】
炭化水素ガスとしては、例えば、エチレン，メタン，プロパン，プロピレン、あるいはエタノールやアセトンなどの有機溶剤の蒸気を用いることができる。
【００３４】
（５）  カーボンファイバーを形成した基体１を、リフトオフ層７に対するエッチャントに浸漬することにより、リフトオフ層７およびリフトオフ層７上のカーボンファイバーを除去する（図４（ｅ））。
【００３５】
リフトオフ層７としてＰＳＧ、或いはＢＰＳＧを用いたとき、エッチャントとしてはＰエッチ液を使用する。Ｐエッチ液（Ｐｌｉｓｋｉｎ  ｅｃｈａｎｔ）は、７０％ＨＮＯ３：４９％ＨＦ：Ｈ２Ｏ＝３：２：６０（体積比）なる組成を持つ酸溶液で、ＰＳＧのみを非常に高速かつ選択的にエッチングする能力を持つ、優れたエッチャントである。また、リフトオフ層７としてＢＳＧを用いたとき、エッチャントとしては希ＨＦ溶液を使用する。これは４９％ＨＦ：Ｈ２Ｏ＝１：２（体積比）なる組成を持つ酸溶液で、緩衝ＨＦ（Ｂｕｆｆｅｒｅｄ  ＨＦ）と比較してエッチングレートが１０倍以上早いという特徴がある。
【００３６】
以上の工程（１）〜（５）を経て得られた本発明の電子放出素子に関して、電子放出点位置とその動作について図５および図６を用いて説明する。
【００３７】
上記工程（１）〜（５）を経て得られた本発明の電子放出素子を、図５に示す真空装置６０に設置し、真空排気装置によって１０−４Ｐａ程度に到達するまで十分に排気した。そして、高電圧電源を用いて、基板１から数ｍｍの高さＨの位置に陽極（以下、「アノード」と称する）６１を設け、数キロボルトからなる高電圧Ｖａを印加した。なお、アノード６１には導電性フィルムを被覆した蛍光体６２が設置されている。電極２と電極３間に印加する駆動電圧Ｖｆとして、数十Ｖ程度からなるパルス電圧を印加して、引き出し電極２と陰極電極３の間に流れる素子電流Ｉｆと、アノード６１に流れる電子放出電流Ｉｅを計測した。
【００３８】
尚、当然ではあるが、駆動電圧Ｖｆは、陰極電極３よりもゲート電極２に印加する電位の方が高い。この時、最も電界の集中する部分は電子放出材料であるカーボンファイバー４の最もアノード６１側であって、かつ電極２と電極３とのギャップ（間隙）の最も内側の部分である。この電界集中点の近傍に位置する電子放出材料の中で最も電界集中する場所から電子が放出されると考えられる。素子のＩｅ特性は図６に示すような特性であった。すなわち印加電圧の約半分からＩｅが急激に立ち上がり、不図示のＩｆはＩｅの特性に類似していたが、その値はＩｅと比較して十分に小さな値であった。この電子放出特性により、同一基板上にマトリックス状に上記電子放出素子を複数配した電子源を構成し、所望の素子を選択して駆動するマトリックス駆動が可能である。
【００３９】
以下、この原理に基づき、本発明の実施の形態に係る電子放出素子を複数配して得られる電子源および画像形成装置について、図７から図９を用いて説明する。
【００４０】
図７は本発明の実施の形態に係る電子源の模式的平面図であり、図８は本発明の実施の形態に係る画像形成装置の一部破断斜視図である。
【００４１】
図７において、８１は電子源基体、８２はＸ方向配線、８３はＹ方向配線である。また、８４は本発明の実施の形態に係る電子放出素子、８５は結線である。図７において、ｍ本のＸ方向配線８２はＤＸ１，ＤＸ２，・・・ＤＸｍからなる。ただし、配線の材料、膜厚、巾は、適宜設計される。一方、Ｙ方向配線８３は、ＤＹ１，ＤＹ２・・・ＤＹｎのｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線８２と同様に形成される。これらｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配線８３との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に分離している（ｍ，ｎは、共に正の整数である）。
【００４２】
本発明の実施の形態に係る電子放出素子８４は、ｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配線８３と結線８５によって電気的に接続される。Ｘ方向配線８２には、走査信号を印加する不図示の走査信号印加手段が接続される。一方、Ｙ方向配線８３には、各電子放出素子から放出される電子の量を変調するための不図示の変調信号発生手段が接続される。上記構成によって、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とすることができる。
【００４３】
図７に示したマトリクス配置の電子源を用いて構成した画像形成装置の一例について、図８を用いて説明する。図８は、ガラス基板材料としてソーダライムガラスを用いた画像形成装置の表示パネルを示している。図８において、８１は電子放出素子を複数配した電子源基体、９１は電子源基体８１を固定したリアプレート、９６はガラス基体９３の内面に蛍光膜９４とメタルバック９５が形成されたフェースプレートである。また、９２は支持枠であり、この支持枠９２には、リアプレート９１、フェースプレート９６がフリットガラス等を用いて接続されている。９７はフェースプレート９６と支持枠９２とリアプレート９１とで構成される外囲器である。８４は各電子放出素子であり、８２，８３は、図７で示したＸ方向配線およびＹ方向配線である。また、フェースプレート９６とリアプレート９１との間に、スペーサーとよばれる不図示の支持体を設置することにより、大気圧に対して十分な強度をもつ外囲器９７を構成できる。
【００４４】
【実施例】
次に、上記実施の形態に基づくより具体的な実施例を詳細に説明する。
【００４５】
［実施例１］
本実施例は、実施の形態の中の図１に示した電子放出素子の構成を本発明の製造方法によって作製した例である。
以下に、図４を用いて本実施例に係わる電子放出素子の製造工程を詳細に説明する。
【００４６】
（工程１）基体１に石英基板を用いて十分洗浄を行った後、引出し電極２及び陰極電極３を形成するために、はじめに基板全体にスパッタ法により不図示の厚さ１００ｎｍのＴｉを蒸着した。引き続き、不図示のポジ型フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）を用いてフォトリソグラフィーにより、レジストパターンを形成した。パターニングした前記フォトレジストをマスクとして、Ｔｉ膜に対してＡｒガスを用いたドライエッチングを行い、電極ギャップ間（間隙の幅）が５μｍからなる引出し電極２、および陰極電極３をパターニングした（図４（ａ））。
【００４７】
（工程２）次にリフトオフ層となるＰＳＧ膜を熱ＣＶＤ法により形成した。基板温度３５０℃にて、ＴＥＯＳ（流量９ＳＬＭ、温度６５℃）、ＴＭＯＰ（流量４ＳＬＭ、温度６０℃）をオゾン（９０ｇＮ／ｍ３）とともに導入して成膜し、膜厚２μｍとした。このとき成膜レートは９０ｎｍ／ｍｉｎであり、ＰＳＧ２μｍの成膜に要する時間は約２１分であり、非常に高速に成膜することが可能である。また、このときのＰＳＧ膜中のリン濃度をμ−ＥＳＣＡにて確認したところ、８ｗｔ％であった。
【００４８】
引き続き、不図示のポジ型フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）を用いてフォトリソグラフィーにより、レジストパターンを形成した。パターニングした前記フォトレジストをマスクとして、ＰＳＧ膜に対してＣＦ４＋Ｈ２ガスを用いたドライエッチングを行い、カーボンファイバー形成部位となる位置に開口を形成した（図４（ｂ））。
【００４９】
（工程３）次にカーボンファイバーの成長触媒として、Ｐｄ−Ｃｏ合金の微粒子膜をスパッタリング法により形成した。引き続き、基板を加熱し、直径３〜１０ｎｍの触媒微粒子が形成された（図４（ｃ））。
【００５０】
（工程４）次に窒素希釈したエチレン気流中で、５００℃で加熱処理をした。これを走査電子顕微鏡で断面観察すると、直径１０ｎｍ〜２５ｎｍ程度で屈曲しながら繊維状に伸びた多数のカーボンファイバーが厚さ１．５μｍ程度で密集している形態が形成された（図４（ｄ））。
【００５１】
（工程５）次にＰＳＧ膜上の不要なカーボンファイバーをＰＳＧ膜のエッチャントであるＰエッチ液を使用してリフトオフした。このときのエッチング速度は３４０ｎｍ／ｍｉｎであり、リフトオフに要した時間は約６分であり非常に高速でかつ選択性良くカーボンファイバーを除去できた。また、これを走査電子顕微鏡で断面観察すると、パターン端のカーボンファイバーは水平方向（基板表面と平行な方向）にはあまり広がらず、成長した時点の形状をほぼ保持した状態で密集していた（図４（ｅ））。
【００５２】
以上のようにして作製した電子放出素子を図５に示すような真空装置６０に設置し、真空排気装置によって２×１０−５Ｐａに到達するまで十分に排気した。そして、図５に示したように、素子からＨ＝２ｍｍ離れた陽極（アノード）電極６１に、陽極（アノード）電圧としてＶａ＝１０ｋＶを印加した。このとき素子には駆動電圧（電極２，３間に印加する電圧）を印加して、流れる素子電流Ｉｆと電子放出電流Ｉｅを計測した。
【００５３】
素子のＩｆ及びＩｅ特性は、図６に示すような特性であった。すなわち印加電圧の約半分からＩｅが急激に増加し、約１μＡの電子放出電流Ｉｅが測定された。一方ＩｆはＩｅの特性に類似していたが、その値はＩｅと比較して一桁以上小さな値であった。得られたビームはＹ方向に細長くＸ方向に短い略矩形形状であった。
【００５４】
また、素子の駆動初期から安定な放出特性が得られ、素子間の特性バラツキはσ／μ＝２．８％であった。
【００５５】
以上のように、本実施例に係わるカーボンファイバーのパターニング方法を用いた電子放出素子の製造方法をとることにより、簡易・安価な作製プロセスを用いながら、電子放出効率が高く安定な特性を持った電子放出素子が実現できた。
【００５６】
［実施例２］
本実施例は、実施の形態の中の図２に示した電子放出素子の構成を本発明の製造方法によって作製した例である。
以下に、本実施例に係わる電子放出素子の製造工程を詳細に説明する。
【００５７】
（工程１）基体１にガラス基板を用いて十分洗浄を行った後、引出し電極２を形成するために基板全体にスパッタ法により、Ｐｔを蒸着した。引き続き、不図示のポジ型フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）を用いてフォトリソグラフィーにより、レジストパターンを形成した。パターニングした前記フォトレジストをマスクとして、ドライエッチングを行い、引出し電極２をパターニングした。
【００５８】
（工程２）次にスパッタ法により層間絶縁層となるＳｉＯ２を１μｍ、陰極電極となるＴｉを１００ｎｍ蒸着した。工程１と同様のフォトリソグラフィーによりレジストマスクを形成した後、Ｔｉ膜に関してはＳＦ６ガス、ＳｉＯ２に関してはＣＦ４＋Ｈ２ガスを用いたドライエッチングを行い、層間絶縁層５および陰極電極３をパターニングした。
【００５９】
（工程３）次にリフトオフ層となるＢＳＧ膜を熱ＣＶＤ法により形成した。引き続き、工程１と同様のフォトリソグラフィーによりレジストマスクを形成した後、ＣＦ４＋Ｈ２ガスを用いたドライエッチングを行い、カーボンファイバー形成部位となる位置に開口を形成した。
【００６０】
（工程４）実施例１の工程３に同じである。
【００６１】
（工程５）実施例１の工程４に同じである。
【００６２】
（工程６）次にＢＳＧ膜上の不要なカーボンファイバーをＢＳＧ膜のエッチャントである希ＨＦ水溶液を使用してリフトオフした。このときのエッチング速度は２４０ｎｍ／ｍｉｎであり、リフトオフに要した時間は約９分で非常に高速でかつ選択性良くカーボンファイバーを除去できた。また、これを走査電子顕微鏡で断面観察すると、パターン端のカーボンファイバーは水平方向にはあまり広がらず、成長した時点の形状をほぼ保持した状態で密集していた。
【００６３】
以上のようにして作製した電子放出素子を図５に示すような真空装置６０に設置し、真空排気装置によって２×１０−５Ｐａに到達するまで十分に排気した。そして、図５に示したように、素子からＨ＝２ｍｍ離れた陽極（アノード）電極６１に、陽極（アノード）電圧としてＶａ＝１０ｋＶを印加した。このとき素子には駆動電圧（電極２，３間に印加する電圧）を印加して、流れる素子電流Ｉｆと電子放出電流Ｉｅを計測した。
【００６４】
素子のＩｆ及びＩｅ特性は、図６に示すような特性であった。すなわち印加電圧の約半分からＩｅが急激に増加し、約１μＡの電子放出電流Ｉｅが測定された。一方ＩｆはＩｅの特性に類似していたが、その値はＩｅと比較して一桁以上小さな値であった。得られたビームはＹ方向に細長くＸ方向に短い略矩形形状であった。
【００６５】
また、素子の駆動初期から安定な放出特性が得られ、素子間の特性バラツキはσ／μ＝３．１％であった。
【００６６】
以上のように、本実施例に係わるカーボンファイバーのパターニング方法を用いた電子放出素子の製造方法をとることにより、簡易・安価な作製プロセスを用いながら、電子放出効率が高く安定な特性を持った電子放出素子が実現できた。
【００６７】
［実施例３］
上記実施例に係わる電子放出素子を複数配して得られる画像形成装置について説明する。
【００６８】
実施例１の電子放出素子を図８に示すようにマトリクス状に配置し、電子源基体８１を完成させた。
【００６９】
この電子源基体８１を用いて、電子放出素子８４上部に、２ｍｍの距離を隔てて蛍光体９４を有する陽極（アノード）基板９６が配置されるようにし、図８に示す画像形成装置を作製した。
【００７０】
Ｖｆ＝３０Ｖからなるパルス電圧、Ｖａ（アノードに印加する電圧）＝１０ｋＶで駆動したところ、画像形成装置においても実施例１と同様の特性が得られた。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、従来困難であった配向特性を持たないカーボンファイバーに関しても、位置あるいは配向特性を精密に制御してパターニングすることが可能であり、これを用いた電子放出素子、電子源、画像形成装置等を作製した場合でも、カーボンファイバーとゲート電極との電気的な短絡がなく、更なる特性を向上を実現しつつ素子間の特性バラツキを減じることが可能である。
【００７２】
さらにパターニング・プロセスは簡易かつ安価なものであるため、本発明の電子放出素子を複数配置した電子源、さらに画像形成装置等を安価かつ簡易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカーボンファイバーのパターニング方法により作製した電子放出素子の第一の例で、その模式的平面図および断面図である。
【図２】本発明のカーボンファイバーのパターニング方法により作製した電子放出素子の第二の例で、その模式的断面図である。
【図３】本発明のカーボンファイバーのパターニング方法により作製した電子放出素子の第三の例で、その模式的断面図である。
【図４】本発明のカーボンファイバーのパターニング方法により作製した第一の例の電子放出素子の製造工程を示す模式図である。
【図５】測定評価機能を備えた真空装置の一例を示す模式図である。
【図６】本発明による電子放出素子の電子放出特性を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る電子源の模式的平面図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る画像形成装置の一部破断斜視図である。
【符号の説明】
１  基体
２  引き出し電極（ゲート電極）
３  陰極電極（カソード電極）
４  エミッター材料であるカーボンファイバー
５  層間絶縁層
６  触媒微粒子
７  リフトオフ層
６０  真空装置
６１  アノード
６２  蛍光体
８１  基体
８２  Ｘ方向配線
８３  Ｙ方向配線
８４  電子放出素子
８５  結線
９１  リアプレート
９２  支持枠
９３  ガラス基体
９４  蛍光膜
９５  メタルバック
９６  フェースプレート
９７  外囲器
【図１】
2004281159.tif 000003
【図２】
2004281159.tif 000004
【図３】
2004281159.tif 000005
【図４】
2004281159.tif 000006
【図５】
2004281159.tif 000007
【図６】
2004281159.tif 000008
【図７】
2004281159.tif 000009
【図８】
2004281159.tif 000010