(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成され複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含みエミッタを構成するＣＮＴ層と、夫々が該ＣＮＴ層上に順次に形成され双方を貫通する開口から前記ＣＮＴ層の表面を露出させるゲート絶縁層及びゲート電極層とを備え、前記エミッタ及びゲート電極層の夫々に電圧を印加して前記エミッタ表面から電子を放出させる電界放出型冷陰極において、
前記ゲート絶縁層が、順次に積層された２層以上の多層絶縁層によって構成されており、前記ＣＮＴ層と前記ゲート絶縁層との間にＡｌ、Ｔｉ金属単体又はＴｉＮ化合物を含む中間層を備える、ことを特徴とする電界放出型冷陰極。
【請求項２】
前記多層絶縁層において少なくとも１層の絶縁層における前記開口の径が、前記ゲート電極層における前記開口の径よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の電界放出型冷陰極。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電界放出型冷陰極を備えることを特徴とする平面画像表示装置。
【請求項４】
基板上に、導電層と、複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含むＣＮＴ層と、Ａｌ、Ｔｉ金属単体又はＴｉＮ化合物を含む中間層と、順次に積層された２層以上の多層絶縁層から成るゲート絶縁層と、ゲート電極層とをこの順に形成し、前記ゲート電極層、前記ゲート絶縁層及び前記中間層をエッチング除去して開口を形成し、該開口から前記ＣＮＴ層の表面を露出させてエミッタに形成することを特徴とする電界放出型冷陰極の製造方法。
【請求項５】
前記中間層直上の前記ゲート絶縁層がＳＯＧ（Spin on Glass ）から成ることを特徴とする請求項４に記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
【請求項６】
前記ゲート絶縁層における少なくとも１層の絶縁層の開口径を前記ゲート電極層の開口径よりも大きく形成することを特徴とする、請求項４又は５に記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか１項に記載の電界放出型冷陰極の製造方法によって形成された電界放出型冷陰極を備えることを特徴とする平面画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィールド・エミッション・ディスプレイ(以下、ＦＥＤとも呼ぶ)、ＣＲＴ、電子顕微鏡、電子ビーム露光装置、及び各種電子ビーム装置等の電子ビーム源として使用される電界放出型冷陰極及びその製造方法並びに平面画像表示装置に関し、特に、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴとも呼ぶ）を用いた電界放出型冷陰極、及び該電界放出型冷陰極を簡便に製造する製造方法、並びにこのような電界放出型冷陰極を用いた平面画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、新しい炭素材料であるカーボンナノチューブが、特に電界放出型冷陰極等のエミッタ材料としての応用において期待されている。ＣＮＴは、炭素原子が規則的に配列されたグランフェンシートをチューブ状に丸めた中空の円筒形状を有し、外径がナノメートル（ｎｍ）オーダーで、長さが０．５〜数１０μｍという極めてアスペクト比が高い微小な物質である。このような形状のＣＮＴでは、先端部分に電界集中が起こり易く、高い放出電流密度が期待できる。また、ＣＮＴは、化学的、物理的安定性が高い特性を有するので、動作真空中の残留ガスの吸着やイオン衝撃等に対して安定であることが予想される。
【０００３】
ＣＮＴには、単層ナノチューブ及び多層ナノチューブの２種類が存在する。単層ナノチューブは、１枚のグラフェン（単原子層の炭素六角網面）が円筒状に閉じた単原子層厚さのチューブであり、その直径はおよそ２ｎｍである。多層ナノチューブは、円筒状グラフェンが多層に積み重なったもので、その外径が５〜５０ｎｍ、中心空洞の直径が３〜１０ｎｍである。エミッタとしての使用頻度が高い単層ナノチューブは、炭素棒を電極とするアーク放電によって生成できる。この生成法は、Nature Vol.354(1991)p.56-58等の文献に記載されており、その中に、６６５００Ｐａ（５００Torr）のヘリウム又はアルゴンガスの雰囲気中で触媒金属として鉄、コバルトやニッケルを添加した炭素棒電極を用いてアーク放電を行う旨の記述がある。
【０００４】
また、ＣＮＴをフィルム状に成膜するための転写法が、例えばScience Vol.268(1995)の845頁及びScience Vol.270(1995)の1179頁に記載されている。この転写法では、溶液中にＣＮＴを分散させたＣＮＴ懸濁液を、０．２μｍのポアサイズを有するセラミックフィルタでろ過し、フィルタ上に残留したＣＮＴによる膜の裏面を基板上にプレスした後に、フィルタのみを引き剥がす。これにより、ＣＮＴを含む薄膜が基板上に形成される。
【０００５】
上述のように形成されるＣＮＴ層をディスプレイに適用する場合には、電子源としてのカソード（エミッタ）にＣＮＴ層が用いられる。アノード電極及びその近傍に蛍光体が配設された２極管構造では、Appl.Phys.Letters、Volume72、p.2912、1998に記載されるように、相互に対向するアノード電極とエミッタとの間に例えば３００Ｖの電圧を印加し、アノード電極側の蛍光体にエミッタからの放出電子を当てて励起させ光を放出させることにより、ディスプレイに文字等を表示する。
【０００６】
また、３極管構造の一例を図７に示す。３極管構造では、電界放出型冷陰極に、ＣＮＴを用いたエミッタ３ｂを使用しており、エミッタ３ｂとアノード電極１２との間にゲート電極層６（グリッド電極）が配設されている。ガラス基板１上には、導電性基板又は導電層２が形成され、導電層２上にＣＮＴ層３が堆積され、ＣＮＴ層３上にゲート絶縁層１３を介してゲート電極層６が形成されている。ゲート電極層６及びゲート絶縁層１３を貫通するゲート開口７によりＣＮＴ層３の一部が露出して、エミッタ３ｂをなしている。ＣＮＴ層３及びゲート電極層６等を含むガラス基板１の上方には所定の距離をあけてアノード電極１２が配置され、双方の間の空間は真空に保持される。この３極管構造では、ＣＮＴ層３に負電位を、アノード電極１２及びゲート電極層６に正電位を夫々印加することにより、ゲート開口７内に露出したエミッタ３ｂからアノード電極１２に向けて電子を放出させることができる。
【０００７】
上記３極管構造では、エミッタ３ｂからの放出電子量をゲート電極層６とエミッタ３ｂとの間の電界によって制御することができる。ゲート電極層６とエミッタ３ｂとの間の電界は、ゲート電極層６に印加する電圧をゲート絶縁層１３の膜厚で割ったものにほぼ等しい。すなわち、ゲート絶縁層１３が厚ければ大きなゲート電圧の印加が必要になるが、絶縁層が薄ければ小さなゲート電圧の印加で同じエミッション電流を得ることができる。
【０００８】
また、エミッタ３ｂから放出した電子は、ゲート電位によって放出方向に対する垂直方向での運動エネルギーを持つため、放出電子の軌道は広がることになる。つまり、ゲート電圧が低い場合には、比較的収束性の良い電子ビームを得ることが可能であるが、ゲート電圧が高くなると電子の広がりが増大するため、収束性の良い電子ビームを得ることが困難になる。従って、複数の画素を独立に制御する平面ディスプレイ（平面画像表示装置）では、放出電子の広がりは隣接する画素に電子が射突することを意味し、その結果、画像がぼけ、或いは、コントラストが低下する等の不具合を招くことになる。このように、ゲート絶縁層１３の薄膜化は、低電圧駆動化、ドライブ回路の小型化及び低コスト化、或いは、ビーム広がりの抑制等を実現するために必須である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＣＮＴをエミッタに用いた電界放出型冷陰極では、絶縁層を薄膜化して良好な電子放出特性を実現しようとする際に、以下のような問題が生じる。第１の問題は、絶縁層及びゲート電極層表面の平坦化が困難であるという点である。絶縁層の形成法は、電子ビーム蒸着、スパッタリング、及びＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法等のような気相での堆積法と、液状の絶縁材料を塗布して焼成するような液相での堆積法とに大別される。
【００１０】
図８は、気相での堆積法によって絶縁層を形成した電界放出型冷陰極の断面図である。この断面構造では、ガラス基板１上に、導電層２、ＣＮＴ層３、ゲート絶縁層１３、及びゲート電極層６がこの順に形成されている。ＣＮＴ層３の表面上に見られる多くの凹凸は、ＣＮＴが互いに絡み合って塊を形成することで生じる巨視的な凹凸と、個々のＣＮＴが表面近傍で突出することで生じる微視的な凹凸からなる。巨視的な凹凸は、ＣＮＴの長さが数１０μｍであることに加え、柔軟性に富んでいるという性質から互いに絡み易いことによって生じる。この凹凸は大きいもので３μｍに及ぶ。
【００１１】
気相中での堆積法は一般的に被覆特性に優れているので、ＣＮＴ層表面の凹凸は、その上に堆積するゲート絶縁層１３の表面形状にそのまま影響を与える。つまり、ゲート絶縁層１３におけるＣＮＴ層３の突出部上の部分は突出形状に、ゲート絶縁層１３におけるＣＮＴ層３の窪み部上の部分は窪み形状になり易い。堆積膜厚が大きくなると凹凸形状は僅かに緩和する傾向を示すが、それでも平坦化は充分ではない。このように凹凸を有する形状に成膜されたゲート絶縁層１３上にゲート電極層６を形成すると、ゲート電極層６の表面にも凹凸が形成されることになる。特に、ゲート電極層６上に存在する微視的な凹凸が新たなエミッションサイトになる等の不具合が生じることもある。
【００１２】
上記のような場合、図7を参照すると、アノード電極１２に高電圧を印加し、ゲート電極層６から放出する電子が広がらないようなビーム整形を行わなければならない。特に、平面画像表示装置では、各画素（エミッタ）から放出した電子が隣接する画素に飛び込みこれを発光させないように、通常数ｋVの電圧を印加し、ビームの指向性を確保しなければならない。ゲート電極層６上に現れた突起にアノード電界が集中すると、そこからエミッションが発生し、ゲート電極層６で制御不能な電子が発生し、特性及び画像が劣化する要因となる。また、気相での堆積法は高価な装置を必要とするが、これに加えて堆積速度が遅いため、高コスト化と低スループット等の要因にもなる。
【００１３】
また、第２の問題点としては、絶縁不良による素子破壊が挙げられる。つまり、気相での堆積法は被覆特性に優れるため、堆積後のゲート絶縁層１３及びゲート電極層６が凹凸を有するが、ゲート絶縁層１３の膜厚はほぼ一定である。これに対し、塗布等の液相での堆積法では、気相での堆積法とは逆に表面の凹凸を打ち消すように堆積が進行するため、突出した領域での堆積が少なく、窪んだ領域での堆積が多くなり、その結果、平坦化が得られ易い。しかし、液相での堆積法を用いて３μｍに及ぶ凹凸を有するＣＮＴ層表面に、充分な絶縁耐性を有するゲート絶縁層１３を形成しようとすると、少なくとも３μｍ以上の膜厚が必要となる。
【００１４】
例えば、特願平11-145900号には、１〜３μｍの膜厚を有する絶縁層を形成する例が記載されている。このように形成されたゲート絶縁層を有する電界放出型冷陰極は、初期特性においては良好な特性を示すが、長時間駆動した場合に局所的な絶縁不良を生じることがある。これは、突出したＣＮＴ上の絶縁層の膜厚が小さいために、ゲート電極層とＣＮＴ層との間の絶縁特性が経時劣化したためである。
【００１５】
液相での堆積法を用いて充分な膜厚を持つゲート絶縁層１３を形成したとしても、その場合は、図９に示すようにゲート絶縁層１３内に気泡１５やクラック１４が発生し易い。クラック部１４が発生すると、ゲート絶縁層１３上にゲート電極層６を成膜する際にゲート電極材料がクラック部１４に浸入するため、その場合は絶縁不良の原因となる。また、電界放出型冷陰極は真空中で使用されるので、素子温度の上昇時には、大気を含む気泡１５が膨張し、素子を破壊する要因となる場合がある。
【００１６】
更に、エミッタ３ｂを取り囲むゲート絶縁層１３の開口縁部付近にＣＮＴ層表面の突起３ｃがある場合には、ゲート電極層６の縁部下面とエミッタ３ｂの表面との間の距離１７が、突起が無い部分の距離１６よりも短くなるので、ゲート開口７内周面での絶縁不良を招く場合がある。絶縁破壊は通常、ゲート絶縁層１３内部よりもゲート開口７内周面側での方が生じ易い。このような開口内周面では、バルク中とは異なり、吸着物が付着し易く、また未結合手の発生や表面原子の再構成が生じることになる。これらによる新たな表面準位が、高電界中での電子のリークパスとなり、絶縁不良及び絶縁破壊の要因になる。従来の堆積法によると、絶縁層の不完全性による膜中の絶縁不良に加え、ゲート開口内周面における絶縁不良が生じる。
【００１７】
このように、従来の気相或いは液相での堆積法では、夫々に欠点を有するので、絶縁層及びゲート電極層を充分に平坦化させると共に、長時間に亘って素子破壊が生じない安定な電子放出特性を持った電界放出型冷陰極を得ることは困難であった。
【００１８】
本発明は、上記に鑑み、ゲート絶縁層及びゲート電極層を充分に平坦化させ、長時間に亘って素子破壊が生じない安定な電子放出特性を有する電界放出型冷陰極を提供すること、及び、このような電界放出型冷陰極を製造する製造方法を提供することを目的とする。本発明は更に、このように製造された電界放出型冷陰極を用いた平面画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る電界放出型冷陰極は、基板上に形成され複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含みエミッタを構成するＣＮＴ層と、夫々が該ＣＮＴ層上に順次に形成され双方を貫通する開口から前記ＣＮＴ層の表面を露出させるゲート絶縁層及びゲート電極層とを備え、前記エミッタ及びゲート電極層の夫々に電圧を印加して前記エミッタ表面から電子を放出させる電界放出型冷陰極において、前記ゲート絶縁層が、順次に積層された２層以上の多層絶縁層によって構成されており、前記ＣＮＴ層と前記ゲート絶縁層との間にＡｌ、Ｔｉ金属単体又はＴｉＮ化合物を含む中間層を備える、ことを特徴とする。
【００２０】
本発明の電界放出型冷陰極では、ゲート絶縁層が組成の異なる２層以上の多層絶縁層から成るので、絶縁層及びゲート電極層が充分に平坦化され、ゲート電極層とＣＮＴ層との間の良好な絶縁性が確保でき、これにより、長時間に亘って素子破壊が生じない安定な電子放出特性を得ることができる。
【００２１】
ここで、前記ＣＮＴ層とゲート絶縁層との間に更に中間層が形成されていることが好ましい。この場合、中間層は絶縁層とのぬれ性を高めるとともに、付着力を向上させることができる。
【００２３】
好ましくは、前記多層絶縁層中の少なくとも１層の開口の径が、前記ゲート電極層における前記開口の径よりも大きい。この場合、ＣＮＴ層とゲート電極との絶縁特性を向上させ、絶縁破壊を抑制することができる。
【００２４】
本発明の平面画像表示装置は、前記電界放出型冷陰極を用いたことを特徴とする。この場合、エミッション特性が良好な平面画像表示装置を得ることができる。
【００２５】
本発明の第２の観点に係る電界放出型冷陰極の製造方法は、基板上に、導電層と、複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含むＣＮＴ層と、Ａｌ、Ｔｉ金属単体又はＴｉＮ化合物を含む中間層と、順次に積層された２層以上の多層絶縁層から成るゲート絶縁層と、ゲート電極層とをこの順に形成し、前記ゲート電極層、前記ゲート絶縁層及び前記中間層をエッチング除去して開口を形成し、該開口から前記ＣＮＴ層の表面を露出させてエミッタに形成することを特徴とする。
【００２６】
本発明の電界放出型冷陰極の製造方法では、ゲート絶縁層が２層以上の積層絶縁層から成るので、絶縁層及びゲート電極層を充分に平坦化させ、これにより、長時間に亘って素子破壊が生じない安定な電子放出特性を有する電界放出型冷陰極を得ることができる。
【００２７】
また、前記ＣＮＴ層とゲート絶縁層との間に中間層を形成する工程を更に含むことが好ましい。この場合、中間層は絶縁層とのぬれ性を高めるとともに、付着力を向上させることができる。
【００２９】
また、前記塗布膜がＳＯＧ（Spin on Glass ）から成ることが好ましい。この場合、低粘性でしかもＣＮＴとの濡れ性が良好な、ＣＮＴ層直上の絶縁層を形成することができる。
【００３０】
更に、前記ゲート絶縁層における少なくとも１層の絶縁層の開口径を前記ゲート電極層の開口径よりも大きく形成することが好ましい。この場合、ＣＮＴ層とゲート電極との絶縁特性を向上させ、絶縁破壊を抑制することができる。
【００３１】
本発明の平面画像表示装置は、前記電界放出型冷陰極の製造方法によって形成された電界放出型冷陰極を備えることを特徴とする。
【００３２】
本発明の平面画像表示装置では、上述のように形成した電界放出型冷陰極が適用されたので、良好なエミッション特性を得ることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態例に係る電界放出型冷陰極の要部を示す斜視図である。エミッタを成すＣＮＴは、アーク放電法やレーザーアブレーション法等で作製可能であるが、本実施形態例に係るＣＮＴは、アーク放電を用いて作製している。
【００３４】
電界放出型冷陰極は、ガラス基板１上に、図１の左右方向に相互に平行に延在する複数の帯状で且つ膜厚が０．５μｍの導電層２を有している。各導電層２上には夫々、同じ幅のＣＮＴ層３が堆積されてカソード（エミッタ）ライン１０が形成されている。また、ＣＮＴ層３を含むガラス基板１の全面を覆うように、ＳＯＧ（Spin On Glass）、若しくは、ポリイミド、アクリル樹脂等が１．５μｍ及び５μｍの厚みに夫々滴下・塗布（スピンコート）されて、第１絶縁層４及び第２絶縁層５に形成されている。これら順次に積層された組成が異なる第１絶縁層４及び第２絶縁層５によってゲート絶縁層（積層（多層）絶縁層９）が構成される。
【００３５】
第２絶縁層５上には、０．５μｍの厚みを有する帯状のゲート電極層６が、カソードライン１０と直交する方向に且つ相互に平行に延在してゲートライン１１をなしている。カソードライン１０とゲートライン１１との交差部分には、電子放出部を構成する所定径（例えば５０μｍ）のゲート開口７が形成されており、このゲート開口７に露出するＣＮＴ層３がエミッタを構成する。
【００３６】
電子放出部が形成された上記ガラス基板１の上方には、ＲＧＢ（赤、緑、青）の蛍光体が塗布されたアノードパネル（図７参照）が、ガラス基板１と所定の間隔をあけて対向して配置されている。これにより、カソードライン１０及びゲートライン１１に選択的に電圧を印加することによって表示動作を行う平面画像表示装置が構成される。また、ガラス基板１とアノードパネルとの間の空間は、真空に保持される。
【００３７】
上記構成の電界放出型冷陰極を有する平面画像表示装置では、積層構造の第１絶縁層４及び第２絶縁層５の存在によってゲート電極層６が平坦化されるので、任意の画素以外からの電子放出やゲート電極層６で制御不能な電子放出が生じることなく、長時間に亘って安定な電子放出を維持することができる。
【００３８】
ここで、ＣＮＴ層３に含まれるＣＮＴをアーク放電法で製造する処理について説明する。まず、図示しない反応容器内に６６５００Ｐａ（５００Torr）のヘリウム（Ｈｅ）ガスを満たし、触媒金属を含む２本の炭素棒（図示せず）の各先端を相互に対向させ、双方の炭素棒の間でアーク放電を発生させる。これにより、陰極側の炭素棒表面と反応容器の内壁とに夫々、ＣＮＴを含んだ固体を堆積する。アーク放電は、例えば１８Ｖの電圧を双方の炭素棒の間に印加し、１００Ａの電流を流して行う。
【００３９】
堆積した上記固体中には、ＣＮＴ以外に、直径１０〜１００ｎｍ程度の粒径のグラファイト、アモルファスカーボン、或いは触媒金属等が含まれる。ここで得られるＣＮＴは単層ナノチューブであり、その直径が１〜５ｎｍ、長さが０．５〜１００μｍ、平均長さが２μｍ程度とされる。アーク放電以外にレーザアブレーション法を用いて作製したＣＮＴも、基本的に上記アーク放電法で作製したＣＮＴと同等のサイズを有する。
【００４０】
図２は、本実施形態例に係る電界放出型冷陰極を、ＣＮＴ層を用いて製造する工程を示し、（ａ）〜（ｆ）は各工程を段階的に示す断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、ガラス基板１上に、化学的気相成長（ＣＶＤ）法等で導電層２を形成し、図２（ｂ）に示すように、導電層２上にＣＮＴ層３を形成する。この場合、前述のように生成したＣＮＴを、エタノール、又は下地との密着性を高めるためのバインダ中に分散し、スクリーン印刷や、噴霧等の手法によって導電層２上に堆積する。
【００４１】
次いで、図２（ｃ）に示すように、ＣＮＴ層３上に第１絶縁層４を形成する。この際、ＣＮＴ層３上に第１絶縁層４として、ＳＯＧ（Spin on Glass）をスピンコーターによって１．５μｍの厚みに塗布した後、窒素雰囲気中にて４００℃でＳＯＧを焼成する。更に、図２（ｄ）に示すように、第１絶縁層４上に、再びＳＯＧをスピンコーターで２μｍの厚みに塗布した後、焼成を行って第２絶縁層５を形成する。引き続き、図２（ｅ）に示すように、第２絶縁層５上に、アルミニウム等の金属膜をスパッタリングによって０．５μｍの厚みに堆積して、ゲート電極層６を形成する。
【００４２】
更に、図２（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、ゲート電極層６、第２絶縁層５及び第１絶縁層４を貫通してＣＮＴ層３の一部を露出させるゲート開口７を形成する。このゲート開口７から露出したＣＮＴ層３がエミッタ３ｂを構成する。なお、ガラス基板１に代えて導電性基板を用いることができる。この場合、導電層２は不要となる。
【００４３】
図３に、本実施形態例に係る電界放出型冷陰極の断面構造をＣＮＴ層３の凹凸も含めて示す。上記手法によって堆積したＣＮＴ層３は、平均的に２μｍ程度の凹凸を持つＣＮＴの塊（巨視的な凹凸）と、ランダムに突出したＣＮＴからなる凹凸（微視的な凹凸）が観察される。微視的な凹凸は、大きいときでは３μｍにも及ぶ。巨視的な凹凸は、生成後のＣＮＴを精製し、或いは、ＣＮＴを機械的に又は化学的に分断することで、ＣＮＴとそれ以外の不純物相互の凝集力や、ＣＮＴ相互の凝集力を低下させるために２μｍ以下に低減することが可能である。
【００４４】
しかし、微視的な凹凸は殆ど変化することなく、最大で２μｍ程度である。ＣＮＴ層３の直上の第１絶縁層４は、膜厚が１．５μｍの塗布膜であるので、平坦性が良好である。但し、第１絶縁層４のみでは完全にＣＮＴ層３を被覆することはできない。
【００４５】
引き続き、第１絶縁層４の上層に第２絶縁層５を２μｍの厚みに塗布することにより、導電層２とゲート電極層６との間の絶縁性を高めることができ、更に、第２絶縁層５及びゲート電極層６の平坦化が実現できる。第１絶縁層４の膜厚は、ここでは１．５μｍに設定したが、０．２μｍ以上で且つ２μｍ以下であれば、欠陥の少ない良好な絶縁層が形成できる。
【００４６】
これに対し、２μｍ以上の絶縁層を一度に塗布した場合には、図９に示したように、クラック部１４や気泡１５が入り易いことになる。これは、絶縁材料を塗布し焼成する過程で、ＣＮＴ層３の微細な凹凸間に取り残された気泡がそのまま残留し、或いは、気泡が相互に凝集して亀裂を形成するためである。また、０．２μｍ以下の絶縁層を形成した場合には第１の絶縁層での平坦化が不充分になり、第２の絶縁層形成時に欠陥が導入される。したがって、第１の絶縁層が０．２μｍ以下の場合には本発明の効果が得られにくかった。
【００４７】
このような欠陥は、通常の半導体プロセスでは殆ど見られない現象であるため、ナノ（ｎ）若しくはミクロン（μ）スケールの凹凸を持つＣＮＴ層における特異な現象であるといえる。２μｍ以上の絶縁層を形成する際に導入された欠陥は、ゲート電極層６の形成過程で、電極材料がクラック部１４（図９）に入り込み、絶縁性を低下させる要因になる。更に、大気中の空気が閉じ込められた気泡１５（図９）は、電界放出型冷陰極の真空中での動作時に膨張して素子を破壊する場合がある。
【００４８】
これに対して、２μｍ以下の絶縁層を塗布した場合には、気泡が発生する箇所と表面との距離が短くなり、焼成の過程で気泡が表面に達し易く、閉じ込められることが少なくなるので、欠陥の少ない絶縁層の形成が可能となる。
【００４９】
従って、第１絶縁層４を０．２μｍ以上且つ２μｍ以下の膜厚に塗布することにより、その後の絶縁層形成過程で絶縁層中に欠陥を発生させることなく、絶縁性を確保することができる。更に、ゲート電極層６も平坦化することができるので、アノード電界によるゲート電極表面からのエミッションを抑制することができる。
【００５０】
なお、第１絶縁層４は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド等を塗布することによっても本発明の効果を得ることができる。但し、ＳＯＧは低粘性でしかもＣＮＴとの濡れ性が良好であるため、ここではＳＯＧを用いた。また、第２絶縁層５には塗布膜を用いたが、スパッタやＣＶＤ等の気相での堆積法を用いても、図８に示すような鋭利な突起が形成されないため、これらの手法を用いることもできる。
【００５１】
図４は、本発明の第２実施形態例に係る電界放出型冷陰極の製造方法を示し、（ａ）〜（ｇ）は各工程を段階的に示す断面図である。まず、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、第１実施形態例と同様にして、ガラス基板１上に導電層２及びＣＮＴ層３を順次に形成する。
【００５２】
次いで、図４（ｃ）に示すように、ＣＮＴ層３上に、２００〜６００ｎｍの厚みの中間層８をスパッタリングによって形成する。その後、第1実施形態例と同様にして、図４（ｄ）に示すように、中間層８上に、０．２μｍ以上且つ２μｍ以下の第１絶縁層４を塗布によって堆積する。
【００５３】
引き続き、図４（ｅ）、（ｆ）に示すように、第１絶縁層４上に第２絶縁層５及びゲート電極層６を順次に形成し、更に、図４（ｇ）に示すように、ゲート電極層６、第２絶縁層５、第１絶縁層４及び中間層８をエッチング除去することによってゲート開口7を形成する。中間層８は、その上に絶縁材料を塗布する際に、ＣＮＴ層３と第１絶縁層４との濡れ性をより高めると共に、ＣＮＴ層３と第１絶縁層４との付着力を向上させる効果を奏する。中間層８には、第１絶縁層４との濡れ性に優れ、ガラス基板１の耐熱温度以下で成膜可能な材料が適している。例えば、アルミニウムやチタン等の単体金属、若しくは窒化チタン等の金属化合物が挙げられる。
【００５４】
図５は、本発明の第３実施形態例に係る電界放出型冷陰極の断面構造図である。本実施形態例の電界放出型冷陰極は、第1実施形態例に係る電界放出型冷陰極とほぼ同様であるが、第１絶縁層４の開口径がゲート電極層６及び第２絶縁層５の開口径よりも大きい構造を有する。
【００５５】
本実施形態例では、上記のように第１絶縁層４の開口径を大きく形成し、第１絶縁層４及び第２絶縁層５で構成される絶縁層に段差部１８を設けることにより、ゲート開口７の内周縁部付近にＣＮＴの突起３ｃがある場合でも、第１絶縁層４の開口内面がゲート開口７の内周面から後退することで、ゲート電極層６の縁部下面とエミッタ３ｂの表面との間の距離１７が、図９に示した場合よりも延びる。このため、ゲート開口７内周面での実質的な電界強度が低下し、絶縁不良が大幅に低減するので、絶縁破壊が防止できる。
【００５６】
更に、ＣＮＴを用いたエミッタの場合、駆動中の局所的な放電によってエミッタ表面のＣＮＴが、第１絶縁層４及び第２絶縁層５のゲート開口７内での露出面に飛散し、そこで吸着ガスや絶縁材料を真空中に再放出させ、素子破壊を生じることがある。しかし、本実施形態例に係る電界放出型冷陰極は、絶縁層４及び第２絶縁層５で構成される絶縁層の内周面に段差部１８を有するので、飛散したＣＮＴを段差部１８に捕獲すると共に放電を抑制できるので、素子破壊が防止できる。
【００５７】
図６は、本発明の第４実施形態例に係る電界放出型冷陰極の断面構造図である。第１及び第２実施形態例では、絶縁層を２層構造にした例を挙げたが、本実施形態例では、２層を超える多層絶縁層に形成することによって、更に絶縁特性を向上させている。
【００５８】
つまり、本実施形態例の電界放出型冷陰極では、ＣＮＴ層３上に、第１絶縁層４、第２絶縁層５及び第３絶縁層１９から成る積層絶縁層９を備えるので、例えば、中間に位置する第２絶縁層５の開口径を、ゲート電極層６のゲート開口径よりも大きくして段差部１８を形成することにより、図４と同様の効果が得られる。
【００５９】
以上のように、絶縁層を多層化し、少なくとも1層以上の開口径をゲート電極層６のゲート開口径よりも大きくして段差部１８を設けることにより、ゲート電極層６の縁部下面とエミッタ３ｂの表面との間の距離１７を著しく増加させ、絶縁破壊を抑制することができる。これらの段差部１８を有する構成は、中間層８を有する第２実施形態例に適用することもできる。その場合は、中間層８又は第１絶縁層４における開口径をゲート電極層６の開口径よりも大きくする。
【００６０】
また、段差部１８は、エッチングレート若しくは耐薬品性の異なる絶縁材料を積層することによって、容易に形成することができる。例えば、図６に示した３層構造では、導電層２上にＳＯＧを１．５μｍの厚みに塗布した後、ＳＯＧの上層にポリイミドを１μｍの厚みに形成する。更に、ポリイミドの上層にＳＯＧを再度１μｍの厚みに塗布する。次いで、フォトリソグラフィ技術を用いて、ゲート電極層６を開口させた後に、積層絶縁層９の内で、最上層のＳＯＧ（１９）に対して、異方性ドライエッチング若しくはフッ酸によるウエットエッチングを施す。
【００６１】
引き続き、ポリイミド（５）に、酸素プラズマによる等方エッチングを施し、その開口径をゲート電極層６の開口径よりも大きくする。ＣＮＴは、酸素プラズマに対してガス化しエッチングされるが、この場合には、まだ開口されていない最下層のＳＯＧ（４）がマスクの役割を果たすため、ＣＮＴに対する影響は無い。この後、最下層のＳＯＧ（４）に、最上層のＳＯＧ（１９）と同様のエッチングを施すことにより、ゲート開口７の内面に段差部１８を有する積層構造が得られる。
【００６２】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の電界放出型冷陰極及びその製造方法並びに平面画像表示装置は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した電界放出型冷陰極及びその製造方法並びに平面画像表示装置も、本発明の範囲に含まれる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、絶縁層及びゲート電極層を充分に平坦化させ、長時間に亘って素子破壊が生じない安定な電子放出特性を有する電界放出型冷陰極、及びこのような電界放出型冷陰極を製造する製造方法を得ることができ、更に、このような電界放出型冷陰極を用いた平面画像表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る電界放出型冷陰極の要部を示す斜視図である。
【図２】本実施形態例に係る電界放出型冷陰極を製造する工程を示し、（ａ）〜（ｆ）は各工程を段階的に示す断面図である。
【図３】本実施形態例に係る電界放出型冷陰極をＣＮＴ層の凹凸も含めて示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態例に係る電界放出型冷陰極の製造方法を示し、（ａ）〜（ｇ）は各工程を段階的に示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態例に係る電界放出型冷陰極の断面構造図である。
【図６】本発明の第４実施形態例に係る電界放出型冷陰極の断面構造図である。
【図７】従来の電界放出型冷陰極の一例を示す断面図である。
【図８】従来の電界放出型冷陰極の断面図である。
【図９】従来の電界放出型冷陰極における問題点を示す断面図である。
【符号の説明】
１：ガラス基板
２：導電層
３：ＣＮＴ層
３ｂ：エミッタ
３ｃ：突起
４：第１絶縁層
５：第２絶縁層
６：ゲート電極
７：ゲート開口
８：中間層
９：積層（多層）絶縁層
１０：カソード（エミッタ）ライン
１２：アノード電極
１６、１７：ゲート電極の縁部下面とエミッタ表面との距離
１８：段差部
１９：絶縁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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