(57)【要約】【課題】  電子源基体を特性バラツキ無く安定的に製造するとともに、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画像形成装置の製造方法を提供する。【解決手段】  電子デバイスの製造方法であって、表面に触媒層を有する第一電極と表面に触媒層を有さない第二電極を基体上に形成する第一工程と、前記触媒層に炭素を含むガスを接触させた状態で前記基体を加熱することによって前記基体上に炭素を含むファイバーを成長させる第二工程とを有しており、前記第二工程において炭素を含むファイバー長を測定し、該測定結果をもとに炭素を含むファイバーの成長量を制御する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を含むファイバーの製造方法であって、
表面に触媒層を有する基体を用意する第1工程と、
前記触媒層に炭素を含むガスを接触させた状態で前記基体を加熱することによって、前記基体上に、炭素を含むファイバーを成長させる第2工程と、を有しており、
前記第2工程は，更に、
前記基体上に成長する、炭素を含むファイバーの長さに相当する量を測定し、該測定結果に基づいて、前記基体上に成長する炭素を含むファイバーの成長速度を制御する工程を有することを特徴とする、炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法。
【請求項２】
前記第1工程は、さらに、前記基体上に第1電極と第2電極とを配置する工程と、前記第1電極上に前記触媒層を配置する工程とを含み、
前記炭素を含むファイバーの長さに相当する量の測定は、
前記第１電極と第2電極との間の電流の時間変化に基づいて行われることを特徴とする請求項１に記載の炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法。
【請求項３】
前記第1工程は、さらに、前記基体上に第1電極と第2電極とを配置する工程と、前記第1電極上に前記触媒層を配置する工程とを含み、
前記炭素を含むファイバーの長さに相当する量の測定は、
前記第１電極と第2電極との間の容量の時間変化に基づいて行われることを特徴とする請求項１に記載の炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法。
【請求項４】
前記炭素を含むファイバーの長さに相当する量の測定は、
前記基体の一部に光を照射し、該照射した光の反射光強度の時間変化に基づいて行われることを特徴とする請求項１に記載の炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法。
【請求項５】
前記炭素を含むファイバーの成長速度を制御する工程は、前記炭素を含むガスの供給量を制御することにより行われることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法。
【請求項６】
基体上に配置された炭素を含むファイバーを複数有する電子デバイスの製造方法であって、
前記炭素を含むファイバーが、請求項１乃至５のいずれかの製造方法により製造されることを特徴とする電子デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記電子デバイスが、前記炭素を含むファイバーから電子を放出する電子放出素子であることを特徴とする請求項６に記載の電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法、および炭素を含むファイバーを基体上に複数配置した電子デバイスの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、カーボンナノチューブ等のカーボンファイバーを冷陰極電子源の電子放出部材として利用する動きが活発である。また、２次電池、燃料電池、水素吸蔵体などの電子デバイスに応用することも提案されている。そして、このカーボンファイバーをＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）の電子源として利用する動向がある。ＦＥＤは一画素当たりに一つもしくは複数の電界放出型（ＦＥ型）電子放出素子を備える自発光型の表示装置であり、この自発光型の表示装置であればＣＲＴと同程度の輝度と、消費電力とが達成可能であり、ＣＲＴより薄くて軽い画像表示装置を作製できるものである。
【０００３】
このＦＥＤを作製するに当たって、電子放出素子を画素のピッチで規則正しく正確に位置合わせして配置する必要がある。そのため予め用意したカーボンファイバーを配置する方法（特許文献１、特許文献２、特許文献３など）や、直接、カーボンファイバーを基板上に成長させる方法（シード法：特許文献４）がある。上記シード法は基板にＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏなどの触媒金属微粒子を基板上の所望の位置に配置して、この基板を炭化水素中で加熱処理するとカーボンファイバーが成長する。この方法は基板上に直接カーボンファイバーを成長できる方法である。そして金属薄膜が設けられた基板上に触媒を散布した後、パターニングにてカソード電極を作製すると、全ての領域に触媒が存在するカソード電極を位置あわせなしで得ることができ、その後にカーボンナノチューブなどのカーボンファイバーを成長させるだけで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。
【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２００２−１５０９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のようにシード法は非常に有力なカーボンファイバーの形成手法であるが、触媒形成後の成長プロセスにおいて、特に熱ＣＶＤ法による成長において、バッチ間でカーボンファイバー長さにバラツキを生じることがあり、厳密な成長制御は行えていないのが現状である。
【０００５】
また、カーボンファイバーを冷陰極電子源材料として用いる場合、カーボンファイバー長さのバラツキは直接、電子放出特性のバラツキにつながり、バッチ毎に異なる特性を有する電子源が出来てしまう。
【０００６】
さらに、カーボンファイバーを電子源として用いた大面積ＦＥＤを作製するにあたっては、基板内でも成長量を制御、監視する手法が求められており、これは成長装置の設計パラメータとしても非常に重要になってくる。
【０００７】
以上述べたように、炭素を含むファイバーを有するデバイスの製造方法において、成長中のファイバー長さを制御して成長させる、簡便で安価な手法が求められている。
【０００８】
そこで、本発明は上記課題を解決する、炭素を含むファイバーの製造方法、さらに炭素を含むファイバーを有する電子デバイスの製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
即ち、本発明は、炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法であって、表面に触媒層を有する基体を用意する第1工程と、前記触媒層に炭素を含むガスを接触させた状態で前記基体を加熱することによって、前記基体上に、炭素を含むファイバーを成長させる第2工程と、を有しており、前記第2工程は，更に、前記基体上に成長する、炭素を含むファイバーの長さに相当する量を測定し、該測定結果に基づいて、前記基体上に成長する炭素を含むファイバーの成長速度を制御する工程を有することを特徴とする。
【００１１】
また、上記本発明において、前記第1工程は、さらに、前記基体上に第1電極と第2電極とを配置する工程と、前記第1電極上に前記触媒層を配置する工程とを含み、前記炭素を含むファイバーの長さに相当する量の測定は、前記第１電極と第2電極との間の電流の時間変化に基づいて行われることをも特徴とする。
【００１２】
また、上記本発明において、上記前記第1工程は、さらに、前記基体上に第1電極と第2電極とを配置する工程と、前記第1電極上に前記触媒層を配置する工程とを含み、前記炭素を含むファイバーの長さに相当する量の測定は、前記第１電極と第2電極との間の容量の時間変化に基づいて行われることをも特徴とする。
【００１３】
また、上記本発明において、前記炭素を含むファイバーの長さに相当する量の測定は、前記基体の一部に光を照射し、該照射した光の反射光強度の時間変化に基づいて行われることをも特徴とする。
【００１４】
また、上記本発明において、前記炭素を含むファイバーの成長速度を制御する工程は、前記炭素を含むガスの供給量を制御することにより行われることをも特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、基体上に配置された炭素を含むファイバーを複数有する電子デバイスの製造方法であって、前記炭素を含むファイバーが、前述のいずれかの製造方法により製造されることを特徴とする電子デバイスの製造方法にある。さらには前記電子デバイスが、前記炭素を含むファイバーから電子を放出する電子放出素子であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明によれば、バッチ間でファイバー長にバラツキがない安定な品質を持った炭素を含むファイバー、さらに基体上に複数炭素を含むファイバーを配置した、バラツキが少ない電子デバイスを簡易かつ安価に製造することが可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、バッチ間でファイバー長にバラツキがない安定な品質を持った基体、さらに基体上に複数配置した素子の電子放出特性に関してバラツキが無い電子デバイスを簡易かつ安価に製造することが可能である。
【００１８】
さらに製造プロセスは簡易かつ安価なものであるため、本発明の製造方法により作製した電子源、さらに画像形成装置を安価かつ簡易に作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に図面を参照して、本発明の炭素を含むファイバーを有する基体上に複数配置した電子デバイス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。
【００２０】
尚、本発明における炭素を含むファイバーとは、所謂カーボンナノチューブやグラファイトナノファイバーなどの「カーボンファイバー」を指す。また好ましくは炭素を主成分とするファイバーと言うこともできる。そして特には、ナノサイズの直径を有するカーボンファイバーであり、特には、ファイバーの直径に対する長さの比が１０以上、更に好ましくは１００以上のカーボンファイバーである。また「炭素を含むファイバー」とは、カーボンナノチューブ、グラファイトファイバー、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含む。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態に係る炭素を含むファイバーを基体上に複数配置した電子デバイスの製造方法について、図面を参照して詳しく説明する。尚、ここでは、電子放出素子の例を挙げて説明するが、本発明の炭素を含むファイバーの製造方法は、炭素を含むファイバーを用いる如何なる電子デバイス（例えば２次電池、燃料電池、水素吸蔵体など）にも好ましく適用できる。
【００２２】
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。
【００２３】
図１においては、陰極電極（第一電極）２と引出し電極（第二電極）３が基板表面上に間隔を置いて配置され、陰極電極２表面の特定部位に複数のカーボンファイバー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のような素子構成にも適用することが可能である。５は陰極電極と引出し電極の層間絶縁層である。
【００２４】
図２は陰極電極２を引出し電極３の上層に配置した素子構成の例で、図３は陰極電極２を引出し電極３の下層に配置した素子構成の例である。
【００２５】
さらに図４〜６を用いて、図１の構成の電子放出素子を作製する場合の炭素を含むファイバー長の測定素子の製造方法、測定方法について詳細に説明する。
【００２６】
前述したように、炭素を含むファイバー長の測定素子は基体上に直接作製して実施することも、あるいはダミー基体を用意してダミー基体上において実施することも可能である。
【００２７】
ここではダミー基体上に測定素子を作製した例について説明する。尚、ダミー基体上の測定素子は、実際の基体上の素子と同じ構成で作製することが好ましく、基体上の素子構成に依って好適なファイバー長測定方法を選択することが望ましい。ファイバー長測定は、前記第一、第二電極間の抵抗または容量の時間変化、あるいはファイバーの成長部に照射した光の反射光強度の時間変化に基づいて行うことが可能である。
【００２８】
本実施態様は、図１の素子構成に対して、ファイバー長の測定さらに成長時間への帰還をダミー基体上の測定素子の抵抗変化によって行った例である。図４（a）〜（d）は本実施態様の、ダミー基体上の電極間隔Dxが異なる測定素子を表した模式図（平面図）である。
【００２９】
（１）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、青板ガラスおよびシリコン基板等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の絶縁性基板等（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上に陰極電極（カソード電極）２、引出し電極（ゲート電極）３を形成する（図５（ａ））。陰極電極２と引出し電極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２に合わせて同一の材料を用いても構わない。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２として特に好適な材料は、Ｔｉ，Ｚｒ，もしくはＮｂの中から選ばれた材料の酸窒化物（表面酸化形態も含む）であり、これらはまず電極材料として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ある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。
【００３０】
（２）陰極電極２、引出し電極３を設けた基体１上に、フォトリソグラフィー技術によって、触媒微粒子６のリフトオフ層７を形成する（図５（ｂ））。リフトオフ層７は、ネガ型のフォトレジストを好適に用いることができる。
【００３１】
（３）次に、開口部を形成したリフトオフ層７上に触媒微粒子６を堆積する（図５（ｃ））。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）がカーボンファイバー形成用の成長核として用いることができる。触媒の形成方法としては、一般的な真空蒸着法、触媒超微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）触媒微粒子を堆積した基体は、リフトオフ層のエッチャントに浸漬することにより、リフトオフ層およびリフトオフ層上の触媒微粒子を除去する（図５（ｄ））。
【００３３】
（５）触媒微粒子のパターニングをした基体は、カーボンファイバーの原料ガス（一酸化炭素、二酸化炭素、種々の炭化水素ガス、あるいはこれらのガスと水素の混合ガス）雰囲気中で加熱（400℃から６００℃程度）することにより、カーボンファイバーを形成する。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】
カーボンファイバー形成時に、ダミー基体上の電極間隔Dxが異なる測定素子の抵抗をモニタすれば、基体上の素子のファイバー長を見積もることができ、バッチ間でバラツキが無い基体を安定して形成することができるのである。
【００３５】
すなわち、カーボンファイバー形成時に図４（ａ）〜（ｄ）の測定素子の（抵抗）−１は模式的に表すと、図６（ａ）のようにそれぞれステップ的な変化をする。さらに具体的に測定素子（ｄ）について言えば、t＜tdでは（抵抗）−１〜０で、ｔ＝tdで1/(Dd・R)を示し、さらにt＞tdでは時間関してほぼ線形に増大する。ここで、Rは炭素を含むファイバーの単位長さ当たりの抵抗（定数）である。
【００３６】
逆にいえば、ギャップ間隔Dxなる測定素子でファーバー一本が短絡したときの抵抗がDx・Rであり、測定用素子それぞれについてDx・Rとなる時間txを追跡すれば、ファイバーの実効的な長さが見積もれるのである（図６（ｂ））。
【００３７】
以上のような工程を経て得られた電子放出素子に関して、エミッター領域における電子放出点位置とその動作について図７および図８を用いて説明する。数μｍのギャップ（間隙）の長さを持つ本素子を、図７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、基板から数ミリの高さ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、流れる素子電流Ｉｆと電子放出電流Ｉｅを計測した。尚、当然ではあるが、駆動電圧Ｖｆは、陰極電極２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８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。
【００３８】
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単純マトリックス駆動が可能である。
【００３９】
本発明のファイバー長制御手法により作製した電子放出素子では、素子間の特性バラツキが３％以下であったのに対し、本発明のファイバー長制御手法を用いない方法では素子間の特性バラツキが８％と比較的大きく、また閾値電圧のバラツキも３〜５V/μｍ程度であった。
【００４０】
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９から図１１を用いて説明する。
【００４１】
図９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１０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り、図１１は本発明の実施の形態に係る画像形成装置のブロック図である。
【００４２】
図９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９において、ｍ本のＸ方向配線８２はＤＸ1，ＤＸ2・・・ＤＸmからなり、蒸着法にて形成された金属配線材料で構成されている。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。
【００４３】
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）。不図示の層間絶縁層は、例えばＳｉＯ2で構成される。
【００４４】
本発明の実施の形態に係る電子放出素子８４を構成する一対の電極（不図示）は、ｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配線８３と導電性金属等からなる結線８５によって電気的に接続されている。
【００４５】
Ｘ方向配線８２には、Ｘ方向に配列した本発明の実施の形態に係る電子放出素子８４の行を選択するための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、Ｙ方向に配列した本発明の実施の形態に係る電子放出素子８４の各列を、入力信号に応じて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。各電子放出素子に印加される駆動電圧は、当該素子に印加される走査信号と変調信号の差電圧として供給される。
【００４６】
上記構成においては、単純なマトリクス配線を用い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。このような単純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について、図１０を用いて説明する。
【００４７】
図１０は、画像形成装置の表示パネルを示している。図１０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等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の接着剤を用いて接続されている。９７は外囲器であり、例えば真空中で、４５０度の温度範囲で１０分焼成することで、封着して構成される。８４は電子放出部であり、８２，８３は、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の一対の素子電極と接続された、それぞれＸ方向配線およびＹ方向配線である。
【００４８】
外囲器９７は、上述の如く、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。また、フェースプレート９６とリアプレート９１と間に、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。メタルバック９５は、蛍光膜作製後、蛍光膜の内面側表面の平滑化処理（通常、「フィルミング」と呼ばれる。）を行い、その後Ａｌを、真空蒸着等を用いて堆積させることで作ることができる。
【００４９】
前述したように、本発明の実施の形態に係る電子放出素子は放出電流Ｉｅに対して以下の基本特性を有している。即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖｔｈがあり、Ｖｔｈ以上の電圧を印加された時のみ電子放出が生じる。電子放出しきい値以上の電圧に対しては、素子への印加電圧の変化に応じて放出電流も変化する。このことから、本素子にパルス状の電圧を印加する場合、例えば電子放出閾値以下の電圧を印加しても電子放出は生じないが、電子放出閾値以上の電圧を印加する場合には電子ビームが出力される。その際、パルスの波高値Ｖｍを変化させる事により出力電子ビームの強度を制御することが可能である。また、パルスの幅Ｐｗを変化させることにより出力される電子ビームの電荷の総量を制御する事が可能である。
【００５０】
ここで述べた画像形成装置の構成は、本発明を適用可能な画像形成装置の一例であり、本発明の技術思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００５１】
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。
【実施例１】
【００５２】
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。
【００５３】
基体上の素子とダミー基体上の測定素子は、カーボンファイバー形成前までの製造方法が全く同一なので、以下詳細説明する製造工程ではダミー基体上の素子も同様に作製している。
【００５４】
５および図６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。
【００５５】
（工程１）
基板１に石英基板を用いて十分洗浄を行った後、引出し電極３及び陰極電極２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３、および陰極電極２をパターニングした（図５（ａ））。
【００５６】
（工程２）
次にリフトオフ層としてネガ型フォトレジストを用いて、触媒形成部を開口したレジストパターンを形成した（図５（ｂ））。
【００５７】
（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（図５（ｃ））。
【００５８】
（工程４）
次に触媒微粒子形成まで行った基体をリムーバーに浸漬してフォトレジスト上の不要な触媒微粒子のリフトオフを行った。
【００５９】
引き続き、基板を加熱し、水素中で熱処理を行った。この段階で直径約３〜１０ｎｍの触媒微粒子が形成された。（図５（ｄ））。
【００６０】
以上の工程によって、触媒微粒子のパターン形成までおこなった基体、および同様のダミー基体を作製した。ただし、基体上の素子電極間ギャップをＤとすると、ダミー基体上のファーバー長測定素子の電極間ギャップＤｘ（ｘ＝１〜５）は、Ｄ１＝（1/5）Ｄ，Ｄ２＝（2/5）Ｄ，Ｄ３＝（3/5）Ｄ，Ｄ４＝（4/5）Ｄ，Ｄ５＝Ｄとした。
【００６１】
（工程５）
次に、工程１〜４にしたがって作製した基体とダミー基体を窒素希釈したエチレン気流中で、５００℃で加熱処理をした。
【００６２】
加熱処理中、ダミー基体上に形成したギャップ間隔が異なる５種類のファイバー長測定素子の抵抗をモニタした。このとき、各測定素子の（１／抵抗）変化は図６（ａ）のようであった。すなわち、加熱処理約３分で測定素子１の（１／抵抗）がステップ的に立ち上がり、次いで約５分で測定素子２が立ち上がり、次いで約７分で測定素子３、約９分で測定素子４が立ち上がったので、加熱処理は１０分で終了させた。
【００６３】
これを走査電子顕微鏡で断面観察すると、数１０ｎｍ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５（ｅ））。
【００６４】
以上のようにして作製した電子放出素子を図７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６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）Ｖｆ＝３０Ｖなるパルス電圧を印加して、流れる素子電流Ｉｆと電子放出電流Ｉｅを計測した。
【００６５】
素子のＩｆ及びＩｅ特性は、図８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、Ｖｆが30Ｖでは約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。
【００６６】
また、素子の駆動初期から安定な放出特性が得られ、カーボンファイバーとゲート電極との電気的な短絡もなく、素子間の特性バラツキはσ／μ＝２．４％であった。
【００６７】
ダミー基体によるファーバー長制御を行わないで同様に作製した場合、バッチ間の特性バラツキが３．８％、同一バッチ素子間の特性バラツキはσ／μ＝２．８％であった。
【００６８】
以上のように、本実施例に係わる炭素を含むファイバーを有する基体、ならびに炭素を含むファイバーを基体上に複数配置した電子デバイス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、バッチ間で特性バラツキがない安定な特性を持った電子放出素子が実現できた。
【実施例２】
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
（工程１）
基板１に石英基板を用いて十分洗浄を行った後、引出し電極３を形成するために、はじめに基板全体に電子ビーム蒸着法により不図示の厚さ５ｎｍのＴｉと厚さ１００ｎｍのＰｔを蒸着した。引き続き、不図示のポジ型フォトレジスト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、引出し電極３をパターニングした。
【００７２】
（工程２）
次に層間絶縁層５として、PCVD法によりＳｉＯ２を厚さ３μｍ蒸着した。
【００７３】
さらに陰極電極２を形成するために、スパッタ法により厚さ１００ｎｍのTiを蒸着した。
【００７４】
（工程３）
次にリフトオフ層としてネガ型フォトレジストを用いて、触媒形成部を開口したレジストパターンを形成し、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。
【００７５】
さらに、触媒微粒子形成まで行った基体をリムーバーに浸漬してフォトレジスト上の不要な触媒微粒子のリフトオフを行った。引き続き、基板を２００℃に加熱し、水素含有雰囲気中で加熱処理を行い触媒粒子を還元した。
【００７６】
（工程４）
引き続き、不図示のポジ型フォトレジスト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、リアクティブ・イオンエッチングによりを行い、陰極電極２および層間絶縁層５をパターニングした。
【００７７】
（工程５）
次に、工程１〜４にしたがって作製した基体を窒素希釈した０．１％エチレン気流中で、５００℃１０分間加熱処理をした。
【００７８】
加熱処理中、触媒微粒子形成部に光照射を行って反射光強度をモニタすることにより、基体上に成長したファイバー実効長を見積もった。ただし、ファイバー実効長-反射光強度相関のデータは同様の素子形態、成長条件で予め取得しておいた。
【００７９】
これを走査電子顕微鏡で断面観察すると、直径数１０ｎｍ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。
【００８０】
以上のようにして作製した電子放出素子を図７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７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）Ｖｆ＝３０Ｖなるパルス電圧を印加して、流れる素子電流Ｉｆと電子放出電流Ｉｅを計測した。
【００８１】
素子のＩｆ及びＩｅ特性は、図８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、Ｖｆが１２Ｖ程度から電子放出が確認され、Ｖｆ２５Ｖでは約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。
【００８２】
また、素子の駆動初期から安定な放出特性が得られ、カーボンファイバーとゲート電極との電気的な短絡もなく、素子間の特性バラツキはσ／μ＝２．６％であった。
【００８３】
ダミー基体によるファーバー長制御を行わないで同様に作製した場合、バッチ間の特性バラツキが３．９％、同一バッチ素子間の特性バラツキはσ／μ＝３．０％であった。
【００８４】
以上のように、本実施例に係わる炭素を含むファイバーを有する基体、ならびに炭素を含むファイバーを基体上に複数配置した電子デバイス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、バッチ間で特性バラツキがない安定な特性を持った電子放出素子が実現できた。
【実施例３】
【００８５】
本実施例は、実施の形態の中の図３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。
【００８６】
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。
【００８７】
（工程１）
基板１に石英基板を用いて十分洗浄を行った後、陰極電極２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、陰極電極２をパターニングした。
【００８８】
（工程２）
次にリフトオフ層としてネガ型フォトレジストを用いて、触媒形成部を開口したレジストパターンを形成し、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。
【００８９】
さらに、触媒微粒子形成まで行った基体をリムーバーに浸漬してフォトレジスト上の不要な触媒微粒子のリフトオフを行った。引き続き、基板を２００℃に加熱し、窒素で希釈した水素気流中で熱処理し触媒粒子の還元処理を行った。
【００９０】
（工程３）
次に層間絶縁層５として、PCVD法によりＳｉＯ２を厚さ３μｍ蒸着した。
【００９１】
さらに引出し電極３を形成するために、電子ビーム蒸着法により厚さ５ｎｍのＴｉと厚さ１００ｎｍのＰｔを連続蒸着した。
【００９２】
（工程４）
引き続き、不図示のポジ型フォトレジスト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、リアクティブ・イオンエッチングによりを行い、引出し電極３および層間絶縁層５をパターニングした。
【００９３】
（工程５）
次に、工程１〜４にしたがって作製した基体とダミー基体を窒素希釈したエチレン気流中で、５００℃加熱処理をした。
【００９４】
加熱処理中、ダミー基体上に形成したファイバー長測定素子の静電容量をモニタして、基体上のファイバー長制御を行った。
【００９５】
これを走査電子顕微鏡で断面観察すると、直径数１０ｎｍ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。
【００９６】
以上のようにして作製した電子放出素子を図７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７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）Ｖｆ＝３０Ｖなるパルス電圧を印加して、流れる素子電流Ｉｆと電子放出電流Ｉｅを計測した。
【００９７】
素子のＩｆ及びＩｅ特性は、図８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、Ｖｆが１２Ｖ程度から電子放出が確認され、Ｖｆ２５Ｖでは約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。
【００９８】
また、素子の駆動初期から安定な放出特性が得られ、カーボンファイバーとゲート電極との電気的な短絡もなく、素子間の特性バラツキはσ／μ＝２．５％であった。
【００９９】
ダミー基体によるファーバー長制御を行わないで同様に作製した場合、バッチ間の特性バラツキが４．１％、同一バッチ素子間の特性バラツキはσ／μ＝３．０％であった。
【０１００】
以上のように、本実施例に係わる炭素を含むファイバーを有する基体、ならびに炭素を含むファイバーを基体上に複数配置した電子デバイス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、バッチ間で特性バラツキがない安定な特性を持った電子放出素子が実現できた。
【実施例４】
【０１０１】
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。
【０１０２】
実施例１の電子放出素子を図１０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。
【０１０３】
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１１に示す画像形成装置を作製した。
【０１０４】
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と同様にバッチ間で安定した特性を持った画像形成装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の炭素を含むファイバーを有する基体の製造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】本発明の炭素を含むファイバーを有する基体の製造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】本発明の炭素を含むファイバーを有する基体の製造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】第一の例の電子放出素子の製造方法における、ダミー基体上に作製したファイバー長測定素子の模式図である。
【図５】本発明の炭素を含むファイバーを有する基体の製造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６】本発明の炭素を含むファイバーを有する基体の製造方法における、ファイバー長測定素子の抵抗、変化、および実効的ファイバー長の時間変化を表現した図である。
【図７】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８】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９】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１０】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】
【０１０６】
１  基体
２  陰極電極（カソード電極）
３  引出し電極（ゲート電極）
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】
2005169554.tif 000003
【図２】
2005169554.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005169554.tif 000006
【図５】
2005169554.tif 000007
【図６】
2005169554.tif 000008
【図７】
2005169554.tif 000009
【図８】
2005169554.tif 000010
【図９】
2005169554.tif 000011
【図１０】
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