(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体上に、カソード電極ラインと、絶縁層と、前記カソード電極ラインに交差するゲート電極ラインとがこの順に形成されていて、
前記ゲート電極ラインと前記カソード電極ラインとが交差する領域において、前記ゲ  ート電極ライン及び前記絶縁層を通して前記カソード電極ラインに達し、このカソード  電極ラインの表面よりも深い微細孔を有する電子放出源であって、
前記微細孔により形成された前記カソード電極ラインの凹部から、前記微細孔を包含  する前記絶縁層下の領域まで前記カソード電極ラインの一部分が前記基体の面方向に除 去され、これによって前記凹部が拡径されることにより、前記微細孔に連通した状態で  、前記微細孔の側壁面に連なる前記絶縁層の底面を部分的に露出させた拡径凹部が形成  されており、
前記微細孔の底部において、前記カソード電極ラインの表面に平均表面粗さ（Ｒａ）  ５０〜２００ｎｍの微小な凹凸がエッチングによって形成され、
前記微小な凹凸が膜厚１０〜１００ｎｍの電子放出物質からなる膜で被覆され、
前記膜の表面は、微小な凹凸を有すると共に、前記カソード電極ラインの表面より前  記基体側に位置する
ことを特徴とする電子放出源。
【請求項２】
前記カソード電極ラインがエッチング特性の異なる複数の層からなり、これらの層のうち上層を貫通して下層に至るまで前記微細孔がエッチングによって形成され、この下層の表面に前記微小な凹凸が形成され、この微小な凹凸が前記膜で被覆されている、請求項１に記載の電子放出源。
【請求項３】
前記膜がカーボン膜である、請求項１又は２に記載の電子放出源。
【請求項４】
前記カーボン膜がダイヤモンド状炭素膜又はアモルファスカーボン膜である、請求項３に記載の電子放出源。
【請求項５】
前記カーボン膜が、炭素を主体とするターゲット基板にレーザ光を照射して成膜した薄膜である、請求項４に記載の電子放出源。
【請求項６】
前記カーボン膜が、炭素を主体とするターゲット基板に電子を照射して成膜した薄膜である、請求項４に記載の電子放出源。
【請求項７】
前記カーボン膜が、炭素を主体とするターゲット基板にイオンを照射して成膜した薄膜である、請求項４に記載の電子放出源。
【請求項８】
前記カーボン膜が、炭素イオンを用いて成膜した薄膜である、請求項４に記載の電子放出源。
【請求項９】
前記微細孔が略円形又はスリット状である、請求項１又は２に記載の電子放出源。
【請求項１０】
基体上にカソード電極ラインを形成する工程と、
前記基体及び前記カソード電極ラインを被覆する絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に前記カソード電極ラインと交差するゲート電極ラインを形成する工程  と、
前記カソード電極ラインと前記ゲート電極ラインとが交差する領域において、前記ゲ  ート電極ライン及び絶縁層を貫通して前記カソード電極ラインに達し、このカソード電  極ラインの表面よりも深い微細孔を形成する工程と、
前記微細孔により形成された前記カソード電極ラインの凹部から、前記微細孔を包含  する前記絶縁層下の領域まで前記カソード電極ラインの一部分を前記基体の面方向に除  去し、これによって前記凹部を拡径することにより、前記微細孔に連通した状態で、前 記微細孔の側壁面に連なる前記絶縁層の底面を部分的に露出させた拡径凹部を形成する  工程と、
前記微細孔の底部において、前記カソード電極ラインの表面に平均表面粗さ（Ｒａ）  ５０〜２００ｎｍの微小な凹凸をエッチングによって形成する工程と、
前記微細孔の底部において、前記カソード電極ラインの表面の前記微小な凹凸上に、  前記カソード電極ラインの表面より前記基体側に表面が位置し、前記微小な凹凸を被覆  し、微小な凹凸を表面に有する膜厚１０〜１００ｎｍの電子放出物質からなる膜を形成  する工程と
を有することを特徴とする、電子放出源の製造方法。
【請求項１１】
前記カソード電極ラインをエッチング特性の異なる複数の層で形成し、これらの層のうち上層を貫通して下層に至るまで前記微細孔をエッチングによって形成し、この下層の表面に前記微小な凹凸を形成し、この微小な凹凸を前記膜で被覆する、請求項１０に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項１２】
前記膜をカーボン膜で形成する、請求項１０又は１１に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項１３】
前記カーボン膜をダイヤモンド状炭素膜又はアモルファスカーボン膜で形成する、請求項１２に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項１４】
前記カーボン膜を、炭素を主体とするターゲット基板にレーザ光を照射して成膜する、請求項１３に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項１５】
前記カーボン膜を、炭素を主体とするターゲット基板に電子を照射して成膜する、請求項１３に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項１６】
前記カーボン膜を、炭素を主体とするターゲット基板にイオンを照射して成膜する、請求項１３に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項１７】
前記カーボン膜を、炭素イオンを用いて成膜する、請求項１３に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項１８】
前記微細孔を略円形又はスリット状に形成する、請求項１０又は１１に記載の電子放出源の製造方法。
【請求項１９】
基体上に、カソード電極ラインと、絶縁層と、前記カソード電極ラインに交差するゲート電極ラインとがこの順に形成されていて、
前記ゲート電極ラインと前記カソード電極ラインとが交差する領域において、前記ゲ  ート電極ライン及び前記絶縁層を通して前記カソード電極ラインに達し、このカソード  電極ラインの表面よりも深い微細孔を有する電子放出源であって、
前記微細孔により形成された前記カソード電極ラインの凹部から、前記微細孔を包含  する前記絶縁層下の領域まで前記カソード電極ラインの一部分が前記基体の面方向に除 去され、これによって前記凹部が拡径されることにより、前記微細孔に連通した状態で  、前記微細孔の側壁面に連なる前記絶縁層の底面を部分的に露出させた拡径凹部が形成  されており、
前記微細孔の底部において、前記カソード電極ラインの表面に平均表面粗さ（Ｒａ）  ５０〜２００ｎｍの微小な凹凸がエッチングによって形成され、
前記微小な凹凸が膜厚１０〜１００ｎｍの電子放出物質からなる膜で被覆され、
前記膜の表面は、微小な凹凸を有すると共に、前記カソード電極ラインの表面より前  記基体側に位置する
ように構成された電子放出源と；この電子放出源と対向する位置に配された蛍光面と；  を有し、前記電子放出源の冷陰極から放出される電子により前記蛍光面を発光させるよ  うに構成されたこと
を特徴とするディスプレイ装置。
【請求項２０】
前記カソード電極ラインがエッチング特性の異なる複数の層からなり、これらの層のうち上層を貫通して下層に至るまで前記微細孔がエッチングによって形成され、この下層の表面に前記微小な凹凸が形成され、この微小な凹凸が前記膜で被覆されている、請求項１９に記載のディスプレイ装置。
【請求項２１】
前記膜がカーボン膜である、請求項１９又は２０に記載のディスプレイ装置。
【請求項２２】
前記カーボン膜がダイヤモンド状炭素膜又はアモルファスカーボン膜である、請求項２１に記載のディスプレイ装置。
【請求項２３】
前記カーボン膜が、炭素を主体とするターゲット基板にレーザ光を照射して成膜した薄膜である、請求項２２に記載のディスプレイ装置。
【請求項２４】
前記カーボン膜が、炭素を主体とするターゲット基板に電子を照射して成膜した薄膜である、請求項２２に記載のディスプレイ装置。
【請求項２５】
前記カーボン膜が、炭素を主体とするターゲット基板にイオンを照射して成膜した薄膜である、請求項２２に記載のディスプレイ装置。
【請求項２６】
前記カーボン膜が、炭素イオンを用いて成膜した薄膜である、請求項２２に記載のディスプレイ装置。
【請求項２７】
前記微細孔が略円形又はスリット状である、請求項１９又は２０に記載のディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば極薄型のディスプレイ装置に使用して好適な電子放出源及びその製造方法、並びにその電子放出源を用いたディスプレイ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、例えば極薄型のディスプレイ装置としては、スクリーン内部に電子放出源を設け、その各画素領域内に電子放出材料からなる多数のマイクロチップを形成し、所定の電気信号に応じて対応する画素領域のマイクロチップを励起することにより、スクリーンの蛍光面を光らせるものが知られている。
【０００３】
この電子放出源は、帯状に形成された複数本のカソード電極ラインと、このカソード電極ラインの上部においてカソード電極ラインと交差して帯状に形成された複数本のゲート電極ラインとが設けられ、上記カソード電極ラインと上記ゲート電極ラインとの各交差領域がそれぞれ１画素を形成している。
【０００４】
次に、図６及び図７を参照して、上記した電子放出源とディスプレイ装置について説明する。
【０００５】
従来の電子放出源１２は、例えばガラス材よりなる下部基板２１の表面上に帯状の複数本のカソード電極ライン２２が形成され、これらのカソード電極ライン２２の上に絶縁層２３が成膜され、更にその上に各カソード電極ライン２２と交差して帯状に形成された複数本のゲート電極ライン２４が形成されて、各カソード電極ライン２２とともにマトリクス構造を構成している。各カソード電極ライン２２及び各ゲート電極ライン２４は制御手段２５にそれぞれ接続されて駆動制御される。
【０００６】
カソード電極ライン２２とゲート電極ライン２４との各交差領域においては、ゲート電極ライン２４と絶縁層２３とを貫通してカソード電極ライン２２に達する多数の微細孔２６が形成され、これらの微細孔２６の底部となるカソード電極ライン２２の表面にマイクロチップ２７が設けられている。このマイクロチップ２７が冷陰極を構成する。
【０００７】
これらのマイクロチップ２７は、電子放出材料、例えばモリブデンよりなり、略円錐体に形成されている。そして各マイクロチップ２７の先端部は、ゲート電極ライン２４に形成されている電子通過用のゲート部２４ａの高さに略位置している。このように、カソード電極ライン２２とゲート電極ライン２４との交差領域には、多数のマイクロチップ２７が設けられて画素領域が形成され、個々の画素領域が１つの画素（ピクセル）に対応している。
【０００８】
上記した電子放出源１２において、制御手段２５により所定のカソード電極ライン２２とゲート電極ライン２４を選択し、これらの間に所定の電圧を印加することにより、カソード電極ライン２２とゲート電極ライン２４との交差領域、即ち、画素領域内の全てのマイクロチップ２７とゲート部２４ａとの間に所定の電界が生じ、マイクロチップ２７の先端からトンネル効果によって電子が放出される。尚、このときの印加電圧は、マイクロチップ２７の材料がモリブデンである場合、マイクロチップ２７の円錐体の先端部付近の電界の強さが１０8 〜１０10Ｖ／ｍ程度となる電圧値にする。
【０００９】
次に、この電子放出源１２を用いたディスプレイ装置の例を図７に示す。
【００１０】
ディスプレイ装置２０は、画面を構成するように上述した電子放出源１２を多数配置した下部基板２１と、この下部基板２１に対し電子放出方向に所定の間隔をもって配置されたアノード側の上部基板２８とが設けられ、この上部基板２８において電子放出源１２と対向する位置に、カソード電極ライン２２と平行な帯状の蛍光体が塗布された蛍光面２９が形成され、また、電子放出源１２と蛍光面２９との間は真空に保たれた構成になっている。
【００１１】
このディスプレイ装置２０の動作について述べる。画素を構成する所定の画素領域の電子放出源１２について、その電子放出源１２と一致する交差領域を有するカソード電極ライン２２とゲート電極ライン２４とを制御手段２５によって選択し、所定の電圧を印加する。これにより、この電子放出源１２は励起し、その電子放出源１２のマイクロチップ２７からは電子が放出され、カソード電極ライン２２とアノードである上部基板２８との間に印加された電圧によって電子は加速され、蛍光面２９の蛍光体と衝突して可視光を放出し、画像を形成するものである。
【００１２】
しかしながら、上述した図６に示す電子放出源は、次の問題点を有する。その第１は、マイクロチップ２７、特にその尖端を均一に製造することの困難性である。この部分の形状が不均質であると、放出される電子、すなわち電流量が各画素で不均一となり、ディスプレイ装置のパネル基板上の光輝点も不均一なものとなり、画像品質が劣化する。
【００１３】
第２に、高真空領域に残存するガスがイオン化し、マイクロチップ２７をスパッタリングすることにより、マイクロチップ２７の尖端形状が経時変化で劣化しやすく、放出電子量が減少するという問題がある。
【００１４】
第３に、マイクロチップ２７から放出される電子の飛行方向が、基板にたてた垂線に対し±３０°程度の範囲で広がるため、蛍光ストライプ面の発光領域も拡大する。これはディスプレイ装置の高精細化の点で不利である。
【００１５】
第４は、製造プロセス上の問題である。マイクロチップ２７は、通常、ゲート電極ライン２４上にリフトオフ層を成膜し、Ｍｏ等の高融点金属を真空蒸着して形成される。この後、リフトオフ層上にも堆積したＭｏ等の高融点金属をリフトオフで除去するが、このとき剥離した金属片が、狭い孔２６内に付着して短絡を発生する可能性が高く、製造のスループットが低下する。
【００１６】
そこで、これらの問題点を回避するため、平面の電子放出面を用いた電子放出源が特開平８−５５５６４号公報に提案されている。図８はその要部概略断面図であるが、図６の電子放出源と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００１７】
即ち、この電子放出源では、基板２１上にダイヤモンド等の低仕事関数の物質層３２及び金属等の導電性接触層３３が形成されている。そして、ゲート電極ライン２４、絶縁層２３を貫通して低仕事関数物質層３２の表面に達する微細孔２６が設けられている。なお、導電性接触層３３は、低仕事関数物質層３２から二酸化珪素等の絶縁層２３に電子が注入されることによる絶縁破壊を防止する機能を有し、必要に応じて形成される。こうした機能により、微細孔２６の底部に存在する平面状の低仕事関数物質層３２の表面から、電子が効率的に放出されるようにしている。
【００１８】
更に、平面状の電子放出面を用いた別の電子放出源が特開平８−１１５６５４号公報に提案されている。図９はその要部概略断面図であるが、図６の電子放出源と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００１９】
即ち、微細孔２６の底部にプラズマ等のダメージに曝されずに形成した低仕事関数の物質層３２の表面から、電子が効率的に放出されるように構成したものである。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者の検討によると、図８に示した構造の電子放出源は、低仕事関数物質層３２を形成した後に、その上部構造である二酸化珪素等の絶縁層２３等を形成しなければならないという工程上の問題がある。即ち、低仕事関数物質層３２上にスパッタリングやプラズマＣＶＤ法により二酸化珪素等の絶縁層２３等を形成すると、低仕事関数物質層３２の表面がプラズマに曝され、ダメージを受ける。また、微細孔２６を形成する際にも、低仕事関数物質層３２の表面がＲＩＥ（Reactive Ion Etching) によるプラズマに曝され、ダメージを受ける。
【００２１】
このため、低仕事関数物質層３２が持つ本来の電子放出能力が充分に発揮されない。また、高輝度のために必要とされる放出電子密度が得られたとしても、ゲート電極ライン２４と低仕事関数物質層３２との間に印加する電圧が比較的高くなり、絶縁破壊が懸念される等の問題点を有する。
【００２２】
図９に示す構造の電子放出源は、低仕事関数物質層３２の表面がカソード電極ライン２２の表面より段差３１の分だけ基板２１側に位置するので、低仕事関数物質層３２の表面がカソード電極ライン２２の表面よりゲート電極ライン２４側か或いは同じ位置にある場合と比較して、低仕事関数物質層３２の表面での電界強度が小さくなる。従って、駆動電圧が少し高くなる。
【００２３】
また、図９に示した構造の電子放出源は、低仕事関数物質層３２を形成した後に、凹み３１のエッジ部３１ａに低仕事関数物質が付着し、低仕事関数物質表面の中でその表面が最大強度の電界が印加される可能性がある。この場合、電界放出電流は、微細孔２６の中央付近より、凹みのエッジ部３１ａで最大となり、主としてこの位置で電子放出が生じる。そして、凹みのエッジ部３１ａからの電界放出した電子は微細孔中央付近から放出する電子と比較して、ゲート電極ラインにより到達し易い。換言すれば、凹みのエッジ部３１ａに低仕事関数物質が付着すると、ゲート電極ライン２４に到達する電子量に対するアノードに到達する電子量の比が小さくなり、効率が悪くなる。また、低仕事関数物質層３２を形成した後に、ゲート電極ライン２４とカソード電極ライン２２とが高抵抗でショートする可能性がある問題点を有する。
【００２４】
本発明はこのような従来技術の問題点を改善するためになされたものであって、その目的は、駆動電圧が低く、電子ビームの拡がりが小さく、しかも長寿命であり、効率がよく、短絡箇所がなく或いは少ない電子放出源及びその製造方法を提供することにある。
【００２５】
また、本発明の他の目的は、かかる電子放出源を用いた、低電圧駆動が可能であって、高精細であり、製造歩留りが高く、寿命も長く、効率のよいディスプレイ装置を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の電子放出源は、
基体上に、カソード電極ラインと、絶縁層と、前記カソード電極ラインに交差するゲ  ート電極ラインとがこの順に形成されていて、
前記ゲート電極ラインと前記カソード電極ラインとが交差する領域において、前記ゲ  ート電極ライン及び前記絶縁層を通して前記カソード電極ラインに達し、このカソード  電極ラインの表面よりも深い微細孔を有する電子放出源であって、
前記微細孔により形成された前記カソード電極ラインの凹部から、前記微細孔を包含  する前記絶縁層下の領域まで前記カソード電極ラインの一部分が前記基体の面方向に除 去され、これによって前記凹部が拡径されることにより、前記微細孔に連通した状態で  、前記微細孔の側壁面に連なる前記絶縁層の底面を部分的に露出させた拡径凹部が形成  されており、
前記微細孔の底部において、前記カソード電極ラインの表面に平均表面粗さ（Ｒａ）  ５０〜２００ｎｍの微小な凹凸がエッチングによって形成され、
前記微小な凹凸が膜厚１０〜１００ｎｍの電子放出物質からなる膜で被覆され、
前記膜の表面は、微小な凹凸を有すると共に、前記カソード電極ラインの表面より前  記基体側に位置する
ことを特徴とするものである。
【００２７】
また、本発明の電子放出源の製造方法は、
基体上にカソード電極ラインを形成する工程と、
前記基体及び前記カソード電極ラインを被覆する絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に前記カソード電極ラインと交差するゲート電極ラインを形成する工程  と、
前記カソード電極ラインと前記ゲート電極ラインとが交差する領域において、前記ゲ  ート電極ライン及び絶縁層を貫通して前記カソード電極ラインに達し、このカソード電  極ラインの表面よりも深い微細孔を形成する工程と、
前記微細孔により形成された前記カソード電極ラインの凹部から、前記微細孔を包含  する前記絶縁層下の領域まで前記カソード電極ラインの一部分を前記基体の面方向に除  去し、これによって前記凹部を拡径することにより、前記微細孔に連通した状態で、前 記微細孔の側壁面に連なる前記絶縁層の底面を部分的に露出させた拡径凹部を形成する  工程と、
前記微細孔の底部において、前記カソード電極ラインの表面に平均表面粗さ（Ｒａ）  ５０〜２００ｎｍの微小な凹凸をエッチングによって形成する工程と、
前記微細孔の底部において、前記カソード電極ラインの表面の前記微小な凹凸上に、  前記カソード電極ラインの表面より前記基体側に表面が位置し、前記微小な凹凸を被覆  し、微小な凹凸を表面に有する膜厚１０〜１００ｎｍの電子放出物質からなる膜を形成  する工程と
を有することを特徴とするものである。
【００２８】
また、本発明のディスプレイ装置は、
基体上に、カソード電極ラインと、絶縁層と、前記カソード電極ラインに交差するゲ  ート電極ラインとがこの順に形成されていて、
前記ゲート電極ラインと前記カソード電極ラインとが交差する領域において、前記ゲ  ート電極ライン及び前記絶縁層を通して前記カソード電極ラインに達し、このカソード  電極ラインの表面よりも深い微細孔を有する電子放出源であって、
前記微細孔により形成された前記カソード電極ラインの凹部から、前記微細孔を包含  する前記絶縁層下の領域まで前記カソード電極ラインの一部分が前記基体の面方向に除 去され、これによって前記凹部が拡径されることにより、前記微細孔に連通した状態で  、前記微細孔の側壁面に連なる前記絶縁層の底面を部分的に露出させた拡径凹部が形成  されており、
前記微細孔の底部において、前記カソード電極ラインの表面に平均表面粗さ（Ｒａ）  ５０〜２００ｎｍの微小な凹凸がエッチングによって形成され、
前記微小な凹凸が膜厚１０〜１００ｎｍの電子放出物質からなる膜で被覆され、
前記膜の表面は、微小な凹凸を有すると共に、前記カソード電極ラインの表面より前  記基体側に位置する
ように構成された電子放出源と；この電子放出源と対向する位置に配された蛍光面と；  を有し、前記電子放出源の冷陰極から放出される電子により前記蛍光面を発光させるよ  うに構成されたこと
を特徴とするものである。
【００２９】
本発明の電子放出源及びディスプレイ装置によれば、カーボン膜等の電子放出物質の膜が、カソード電極ラインの表面より基体側の位置（即ち、凹んだ位置）に表面を有し、かつ微細孔の底部の微小な凹凸を被覆して設けられているので、微細孔の底面の端部より、中心部付近に存在する凸部の膜表面に最大強度の電界が印加される。換言すれば、電界放出電流は、微細孔底面の端部より、中心部付近の凸部で最大となり、主としてこの位置で電子放出が生じるので、従来構造のものと比較して低い駆動電圧で効率良く電子放出を実現することができる。
この場合、微細孔により形成されたカソード電極ラインの凹部から、微細孔を包含する絶縁層下の領域までカソード電極ラインの一部分が基体の面方向に除去されて凹部が拡径されることにより、微細孔に連通した状態で、微細孔の側壁面に連なる絶縁層の底面を部分的に露出させた拡径凹部を形成しており、微細孔の底部において、カソード電極ラインの表面に平均表面粗さ（Ｒａ）５０〜２００ｎｍの微小な凹凸がエッチングによって形成され、この微小な凹凸が膜厚１０〜１００ｎｍの電子放出物質からなる膜で被覆され、更にこの膜の表面は、微小な凹凸を有することが重要である。
【００３０】
このように、主たる電子放出が発生する膜の位置は、微細孔の底部端部から離間しているので、電子ビームの拡がりが小さく、電子はゲート電極ラインに入射することなく、アノード電極ライン上に効率よく入射し、高精細化が可能である。同様に、放出された電子は絶縁層に入射することがないので、絶縁層のチャージアップによる異常放電等の事故もない。
【００３１】
この場合、微細孔の底部の周縁部では、カソード電極ラインに段差が発生しているので、等電位面は大きく曲がっており、微細孔の底部の周縁部から放出される電子は、ゲート電極ライン表面の垂直方向からずれた軌道を描き、アノード電極ラインに対しミスランディングする可能性がある。しかしながら、微細孔の底部の周縁部の電界強度は、中心部付近の電界強度と比較して充分に小さいので、周縁部では電子は放出されないか或いは放出されたとしても非常に低い電子密度であるので、実用上の影響は無視できる程度である。
【００３２】
また、本発明の電子放出源の製造方法によれば、カーボン膜等の電子放出物質の膜は絶縁層の形成後、しかも微細孔の形成後に成膜されるので、成膜後にプラズマやイオンのダメージを受けることはないので、材料本来が有する電子放出性の高さを十二分に利用することができる。また、成膜は通常の成膜法で容易に行え、剥離片による短絡などの不所望な現象が生じることがなく、不良率を減少させ、作製工程も減らすことができる。さらに、電子放出素子としての稼働時には、真空領域に残存するガスによるスパッタリングを受けても、従来のマイクロチップの尖端のように形状変化することは少ない。
【００３３】
本発明においては、上記に加えて更に、微細孔により形成されたカソード電極ラインの凹部が、微細孔を包含する絶縁層下の領域まで基体の面方向に拡径されることにより、微細孔に連通した状態で、絶縁層の底面を部分的に露出させた拡径凹部を形成している（具体的には、電子放出薄膜を形成する前に、ゲート電極ライン、絶縁層はそのまま残し、カソード電極ラインの凹みのみをたとえばエッチングで平面方向に拡大している）ので、電子放出薄膜を形成する際に拡径凹部のエッジ部（側壁面）に電子放出物質が付着することがない。このことにより、そのエッジ部からの電子放出がなく、効率がよくなる。更に、電子放出薄膜を形成後、ゲート電極ラインとカソード電極ラインとがショートすることがない。このために、電子放出源の製造のスループットが向上する。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明においては、上記した作用効果を実現する上で、前記微細孔における前記カソード電極ラインの表面に前記微細な凹凸が存在し、この凹凸に追随して前記膜の表面に微小な凹凸が形成されている。この場合、前記膜の厚みは１０〜１００ｎｍ、前記微小な凹凸の粗さは平均表面粗さ（Ｒａ）で５０〜２００ｎｍとする。
【００３５】
また、前記膜はカーボン膜、特にダイヤモンド状炭素膜又はアモルファスカーボン膜であるのがよく、炭素を主体とするターゲット基板にレーザ光、電子又はイオンを照射して成膜した薄膜、或いは炭素イオンを用いて成膜した薄膜であるのがよい。
【００３６】
このように薄膜をダイヤモンド状炭素膜又はアモルファスカーボン膜で形成すると、５０Ｖ／μｍ程度又はそれ以下の低電界強度であっても、高輝度のディスプレイ装置として必要な電子密度をカーボン薄膜から取り出すことができる。すなわち、絶縁層の厚さを１μｍ程度に設定にすれば、カソード電極ラインとゲート電極ラインとの間に印加する駆動電圧は数十Ｖ以下の低電圧ですむ。
【００３７】
なお、前記微細孔は、実際には、前記ゲート電極ライン及び前記絶縁層を貫通して前記カソード電極ラインの厚さの中途の深さ（特にその全厚の１／３〜２／３の深さ）まで形成されるのがよい。また、カソード電極ラインの表面より下位の微細孔部分の大きさは、その上位の微細孔部分よりも径では５〜５０％、面積では１０〜１００％大きいことが望ましい。
【００３８】
また前記微細孔が略円形又はスリット状であることが好ましい。
【００３９】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面の参照下に説明する。
【００４０】
＜第１の実施の形態＞
まず、本発明の第１の実施の形態を図１及び図２について説明する（図１は電子放出源の概略断面図であり、図２は電子放出源の概略平面図である）。
【００４１】
図１及び図２に示すように、電子放出源１０は、例えばガラス材よりなる下部基板１の表面上に帯状の複数本のカソード電極ライン２が形成され、これらのカソード電極ライン２の上に絶縁層３が成膜されていて、更にその上に各カソード電極ライン２と交差して帯状に複数本のゲート電極ライン４が形成され、カソード電極ライン２とゲート電極ライン４とでマトリクス構造を構成している。各カソード電極ライン２及び各ゲート電極ライン４は制御手段１５にそれぞれ接続されて駆動制御される。
【００４２】
カソード電極ライン２とゲート電極ライン４との各交差領域においては、ゲート電極ライン４及び絶縁層３を貫通し、更にカソード電極ライン２の厚さの中途の深さまで、多数の略円形の微細孔５が形成されている。
【００４３】
この微細孔５の底面には平均表面粗さ（Ｒａ）が１００ｎｍの微小な凹凸が存在し、この上を被覆して厚さ２０ｎｍのカーボン薄膜７が形成されている。カーボン膜７の表面は、カソード電極ライン２の表面の前記の微小な凹凸に追随して、平均表面粗さ（Ｒａ）が１００ｎｍの微小な凹凸が存在している。しかも、カーボン膜７の表面は、カソード電極ライン２の表面よりも１００ｎｍだけ下部基板１側に位置している。
【００４４】
そして、微細孔５のうち、カソード電極ライン２の表面より下位の微細孔部分５ａは、その側壁が平面方向に除去され、絶縁層３を貫通した微細孔部分５ｂを包含するようになっており、例えば、前者の径は後者の径よりも１５％大きくなっている。
【００４５】
カーボン薄膜７は、ダイヤモンド状炭素又はアモルファスカーボン膜である。
【００４６】
本実施の形態による電子放出源１０を用いたディスプレイ装置の構成とその表示動作は、図６を参照して説明した従来例とは、電子放出源の冷陰極の構造においてのみ異なるものであって、その他の構成と動作は従来例と同一である。
【００４７】
即ち、制御手段１５により所定のカソード電極ライン２とゲート電極ライン４を選択し、これらの間に所定の電圧を印加することにより、カソード電極ライン２とゲート電極ライン４との交差領域、即ち、画素領域内のカーボン薄膜７とゲート部４ａとの間に所定の電界が生じ、微細孔５内のカーボン膜７からトンネル効果によって電子が放出される。
【００４８】
このディスプレイ装置においては、画像を構成する所定の画素領域の電子放出源１０について、その電子放出源１０と一致する交差領域を有するカソード電極ライン２とゲート電極ライン４とを制御手段１５によって選択し、所定の電圧を印加する。これにより、この電子放出源１０は励起し、その電子放出源１０の孔５内のカーボン膜７からは電子が放出され、更にカソード電極ライン２とアノードである上部基板２８との間に印加された電圧によって電子は加速され、蛍光面２９の蛍光体と衝突して可視光を放出し、画像を形成するものである。
【００４９】
上述した電子放出源１０の構成によると、ゲート電極ライン４、絶縁層３及びカソード電極ライン２の厚さ方向の一部を貫通して形成された多数の微細孔５の中に、微小な凹凸を被覆してダイヤモンド状炭素膜又はアモルファスカーボン膜などのカーボン薄膜７からなる冷陰極が形成されているので、低電圧駆動が可能となる。
【００５０】
そして、カソード電極ライン２の微細孔５ａの面積がゲート電極ライン４にあけられた微細孔５ｂの面積より大きいので、電子放出薄膜形成後、カソード電極ライン２の凹みのエッジ部２ａに電子放出物質が付着せず、電界放出した電子は効率良くアノードに到達し、また、ゲート電極ライン４とカソード電極ライン２との短絡が生じなくなる。
【００５１】
また、ダイヤモンド状炭素膜又はアモルファスカーボン膜はスパッタリングされにくいため安定なエミションを長い時間維持できる。
【００５２】
そして、電子放出源の構造が単純であるため、大型の極薄型ディスプレイ装置を構成することができる。
【００５３】
次に、電子放出源の製造方法を図１について説明する。
【００５４】
まず、ガラス等よりなる下部基板１上にニオビウム、モリブデン又はクロム等を材料として厚さ約３００ｎｍ程度の導体膜を成膜する。その後、写真製版法及び反応性イオンエッチング法によりこの導体膜をライン形状に加工して、カソード電極ライン２を形成する。
【００５５】
次に、例えば二酸化珪素をスパッタリング又は化学蒸着法により下部基板１とカソード電極ライン２の露出部の上に成膜して、厚さ１μｍの絶縁層３を形成し、更に絶縁層３上に、例えばニオビウム又はモリブデンのゲート電極材料を成膜する。その後、写真製版法及び反応性イオンエッチング法によりこの導体膜をカソード電極ライン２と交差するライン状に形成して、厚さ２００ｎｍ程度のゲート電極ライン４を構成する。
【００５６】
次に、ゲート電極ライン４、絶縁層３及びカソード電極ライン２の厚さ方向の一部を貫通する円形の微細孔５（図３においては、スリット状の微細孔６）を写真製版法及びプラズマエッチング法により等方的にエッチングして形成する。このエッチングで、微細孔５内のカソード電極ライン２の表面は１００ｎｍの段差を以って凹状に加工される。そして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などにより、微細孔５の底部をエッチングし、平均表面粗さ（Ｒａ）が５０ｎｍの微小な凹凸面とする。
【００５７】
次に、炭素を主体とするターゲット基板にレーザー光、電子、イオン等を照射して、レーザアブレーション法、スパッタリング法等で成膜したり、炭素イオンを用いた成膜法であるＦＣＶＡ（Filtered Cathodic Vacuum Arc) 法で成膜することによって、冷陰極薄膜であるカーボン薄膜７を、略円形の微細孔５（図３においては、スリット状の微細孔６）の中に厚さ５０ｎｍに形成して、電子放出源１０（図３においては、電子放出源１１）を構成する。この成膜時にゲート電極ライン４上に付着した成膜材料はそのまま残してよい（但し、図面には図示省略）。このカーボン薄膜７の表面はカソード電極ライン２の表面より１００ｎｍだけ基板１側に位置させる。
【００５８】
こうして電子放出物質膜としてカーボン薄膜７を形成した後、ゲート電極ライン４とカソード電極ライン２との間のショートをさらになくすため、微細孔５の側壁をウエットエッチングで平面方向に更にエッチングして、微細孔部分５ａを形成する。或いは、この微細孔部分５ａを形成した後に、カーボン薄膜７を形成してもよい。
【００５９】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態は、図３及び図４に示すように、第１の実施の形態における電子放出源１０の微細孔５の形状をスリット状の微細孔６にして電子放出源１１を構成したことにおいてのみ異なり、また、これを用いたディスプレイ装置の構成と表示動作も第１の実施の形態で述べたことと同一であり、その構成と動作についてのここでの説明は省略する。
【００６０】
このように、微細孔６をスリット状孔にしたことにより、第１の実施の形態で得られる効果の他に、次の効果が得られる。即ち、冷陰極のカーボン膜７の表面での電界強度は円形孔５の場合とほとんど等しいので、冷陰極は略同一の電圧で駆動できる上に、略円形の微細孔５に比較してスリット状の微細孔６によるエミッション領域が大きいので、同一の電圧で駆動しても、より大きな電流密度を得ることができる。このようにスリット状孔６を有する冷陰極は、低い電圧の印加で、より大きな放出電流を獲得することが可能となるものである。
【００６１】
＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態による電子放出源は、カソード電極ライン２を、材料又は膜質の異なる複数層（ここでは２層）で形成したものであり、このカソード電極ライン２以外の構造は第１又は第２の実施の形態に準じた構造を有する。従って、本実施の形態の特徴部分のみを説明し、重複する説明は省略する。
【００６２】
図５は、第３の実施の形態による電子放出源の単位素子の概略断面図を示す。図５において、カソード電極ライン２は上層カソード電極ライン２０１と下層カソード電極ライン２０２の２層で構成されている。各層の厚さは上層カソード電極ライン２０１が２００ｎｍ程度で下層カソード電極ライン２０２が１００ｎｍ程度である。円形又はスリット形状の微細孔５又は６は、ゲート電極ライン４、絶縁層３及び上層カソード電極ライン２０１を貫通して形成されている。更に、下層カソード電極ライン２０２の表面に例えば上述したエッチングによって上述したと同様の微小な凹凸を形成する。そして、上述したと同様のカーボン薄膜７を下層カソード電極ライン２０２の凹凸表面に形成し、その表面は上層カソード電極ライン２０１の表面より１００ｎｍだけ基板１側に位置させる。
【００６３】
このような、積層カソード電極ラインの材料の組み合せとしては、上、下の層がエッチング特性（材料や膜質など）の異なる組み合せが好ましい。即ち、異種の金属材料、例えばＮｂとＣｒとの組み合せや、金属材料とその化合物の組み合せ、例えばＷとＷＳｉ2 等が可能である。また、膜質の異なる材料の組み合せとしては、多結晶膜と非晶質膜の組み合せ等が可能である。
【００６４】
かかる電子放出源構造により、上層カソード電極ライン２０１への開口形成を、下層カソード電極ライン２０２に対し、選択比の良いエッチングにより行うことが可能となり、また微細孔部分５ａのエッチングによる形成も容易となる。従って、カソード電極ライン２とカーボン薄膜７の表面との段差、更には微細孔部分５ａのサイズを、電子放出源の全面に亘って均一に制御することができる。
【００６５】
この結果、電子放出源の広い範囲に亘って均一な電界強度をカーボン膜７の表面近傍に形成することができ、均一な放出電流密度を得ることができる。その他の構成や効果は、第１又は第２の実施の形態と同様である。
【００６６】
なお、本実施の形態において、カソード電極ライン２を３層以上の積層膜に形成してもよい。
【００６７】
以上に述べた本発明の実施の形態は本発明の技術的思想に基いて更に変形が可能である。
【００６８】
例えば、上述した膜７とカソード電極ライン２の表面との段差、又はカーボン薄膜７の厚み、その表面の凹凸の大きさ等は、本発明の目的が達成される範囲内で様々に変化させることができる。また、こうしたカーボン薄膜７を含む電子放出源の作製方法や各部の材質、形状等も種々変更できる。
【００６９】
材質については、例えば図５の例においてはカーボン薄膜７とカソード電極ライン２０２とを共に同一材料又は同一材質で形成することも可能であり、例えば共にアモルファスダイヤモンド等の仕事関数の小さい抵抗体で形成してもよい。
【００７０】
電子放出源の層構成やパターンについても、例えば上述の微細孔の形状や配置、カソード電極ライン及びゲート電極ラインの配置やパターンも種々変更してよい。
【００７１】
カーボン薄膜７等の成膜方法は種々変化させてよい。成膜方法には、上述したレーザアブレーション法（レーザ光照射によるエッチング現象を利用した堆積法：ダイヤモンド薄膜の場合はターゲットはグラファイトが使用可能）、スパッタ法（例えばＡｒガスを用いたスパッタリング：ダイヤモンド薄膜の場合はターゲットはグラファイトが使用可能）、ＣＶＤ、真空蒸着法（物理蒸着法）等がある。
【００７２】
また、上述した段差、更には微細孔部分５ａの形成方法や形成段階は上述したものに限られることはなく、例えば微細孔５を形成する以前に、予め対応する位置をエッチングして形成することができる。また、カーボン薄膜７を形成する前に、微細孔部分５ａを形成してもよい。
【００７３】
また、上述した電子放出源は、ＦＥＤ（Field Emission Display: 電界放出型ディスプレイ）に好適であるが、対向する螢光面パネルの構造や各部のパターン及び材質等は上述したものに限られず、また、その作製方法も種々採用できる。
【００７４】
なお、上述した電子放出源の用途は、ＦＥＤ又はそれ以外のディスプレイ装置に限定されることはなく、真空管（即ち、カソードから放出される電子流をゲート電極（グリッド）によって制御し、増幅又は整流する電子管）に使用したり、或いは、カソードから放出される電子を信号電流として取り出すための回路素子（これは、上述したＦＥＤの螢光面パネルに光電変換素子を取付け、螢光面パネルの発光パターンを光電変換素子で電気信号に変換する光通信用の素子も含まれる。）等にも応用可能である。
【００７５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、ゲート電極ライン及び絶縁層を貫通してカソード電極ラインに達し、カソード電極ラインの表面よりも深い微細孔の中に冷陰極薄膜を形成することにより電子放出源を構成しているので、冷陰極となるダイヤモンド状炭素膜又はアモルファスカーボン膜等は低電界でエミッションが得られるため、低電圧駆動が可能である。特に、冷陰極薄膜が微細孔の底部の微小な凹凸を被覆して設けられているので、微細孔の底面の端部より、中心部付近に存在する凸部の膜表面に最大強度の電界が印加され、主としてこの位置で電子放出が生じるので、従来構造のものと比較して低い駆動電圧で効率良く電子放出を実現することができる。
この場合、微細孔により形成されたカソード電極ラインの凹部から、微細孔を包含する絶縁層下の領域までカソード電極ラインの一部分が基体の面方向に除去されて凹部が拡径されることにより、微細孔に連通した状態で、微細孔の側壁面に連なる絶縁層の底面を部分的に露出させた拡径凹部を形成しており、微細孔の底部において、カソード電極ラインの表面に平均表面粗さ（Ｒａ）５０〜２００ｎｍの微小な凹凸がエッチングによって形成され、この微小な凹凸が膜厚１０〜１００ｎｍの電子放出物質からなる膜で被覆され、更にこの膜の表面は、微小な凹凸を有することが重要である。
【００７６】
このように、主たる電子放出が発生する膜の位置は、微細孔の底部端部から離間しているので、電子ビームの拡がりが小さく、電子はゲート電極ラインに入射することなく、アノード電極ライン上に効率よく入射し、高精細化が可能である。同様に、放出された電子は絶縁層に入射することがないので、絶縁層のチャージアップによる異常放電等の事故もない。
【００７７】
また、カーボン膜等の電子放出物質の膜は絶縁層の形成後、しかも微細孔の形成後に成膜されるので、成膜後にプラズマやイオンのダメージを受けることはないので、材料本来が有する電子放出性の高さを十二分に利用することができる。また、成膜は通常の成膜法で容易に行え、剥離片による短絡などの不所望な現象が生じることがなく、不良率を減少させ、作製工程も減らすことができる。さらに、電子放出素子としての稼働時には、真空領域に残存するガスによるスパッタリングを受けても、従来のマイクロチップの尖端のように形状変化することは少なく、ダイヤモンド状炭素膜やアモルファスカーボン膜ではスパッタリングされにくいため、安定なエミッションを長時間維持できる。
【００７８】
また、本発明によれば、上記に加えて、微細孔により形成されたカソード電極ラインの凹部が、微細孔を包含する絶縁層下の領域まで基体の面方向に拡径されることにより、微細孔に連通した状態で、絶縁層の底面を部分的に露出させた拡径凹部を形成しているので、電子放出薄膜を形成する際に拡径凹部のエッジ部（側壁面）に電子放出物質が付着せず、電界放出した電子は効率良くアノードに到達し、また、ゲート電極ラインとカソード電極ラインとの短絡が生じなくなる。
【００７９】
また、本発明によれば、電子放出源の構造が単純なため、大型の極薄型ディスプレイ装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子放出源の第１の実施形態の断面側面図である。
【図２】同、実施形態の平面図である。
【図３】本発明の電子放出源の第２の実施形態の断面側面図である。
【図４】同、実施形態の平面図である。
【図５】本発明の電子放出源の第３の実施形態の単位素子の概略断面図である。
【図６】従来の電子放出源の断面図である。
【図７】電子放出源を用いたディスプレイ装置の構成の一部を示す斜視図である。
【図８】従来の他の電子放出源の断面図である。
【図９】従来の他の電子放出源の断面図である。
【符号の説明】
１、２１…下部基板、２、２２…カソード電極ライン、
２０１…上層カソード電極ライン、２０２…下層カソード電極ライン、
３、２３…絶縁層、４、２４…ゲート電極ライン、４ａ、２４ａ…ゲート部、
５…略円形の微細孔、５ａ…カソード電極ラインより下位にある微細孔部分、
５ｂ…ゲート電極ラインと絶縁層を貫通した微細孔部分、
６…スリット状の微細孔、７…薄膜、１０、１１、１２…電子放出源、
１５、２５…制御手段、２０…ディスプレイ装置、２６…微細孔、
２７…マイクロチップ、２８…上部基板、２９…蛍光面、
３１…カソード電極ラインの凹み、３１ａ…凹みのエッジ部、
３２…低仕事関数の物質層、３３…導電接触層
【図１】
0004247649.tif 000002
【図２】
0004247649.tif 000003
【図３】
0004247649.tif 000004
【図４】
0004247649.tif 000005
【図５】
0004247649.tif 000006
【図６】
0004247649.tif 000007
【図７】
0004247649.tif 000008
【図８】
0004247649.tif 000009
【図９】
0004247649.tif 000010