JP4875432B2

JP4875432B2 - 冷陰極素子の製造方法及びこれを用いた冷陰極素子

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Publication number: JP4875432B2
Application number: JP2006209928A
Authority: JP
Inventors: 俊克堺; 瑞芳後沢; 啓萩原
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2026-08-01
Also published as: JP2008041272A

Description

本発明は、冷陰極素子の製造方法及びこれを用いた冷陰極素子に関する。

近年、カーボンナノチューブ（以下「ＣＮＴ」）やグラファイトナノファイバ（以下「ＧＮＦ」）等の炭素系微細繊維は、冷陰極素子の電子源材料としての応用が期待されている。従来の冷陰極素子は、例えば図１２に示すような構成となっている。

図１２に示すように、従来の冷陰極素子１は、ガラス基板２上に形成されたカソード電極３と、カソード電極３上に形成された絶縁層４と、絶縁層４上に形成された電子引出電極５と、ＣＮＴやＧＮＦ等で構成される炭素系微細繊維６とを備え、電子引出電極５に電圧が印加されることによって電子源である炭素系微細繊維６から電子が放出されるようになっている。なお、冷陰極素子１は、通常、ガラス基板２上に複数形成されるが、構成をわかりやすくするため、図１２には１冷陰極素子分の構成が示されている。

冷陰極素子を利用したデバイスとしては、例えば、放出された電子を蛍光体が形成されたアノード電極上に衝突させることによって蛍光体を発光させ、所望の画像を表示することができるフィールドエミッションディスプレイ（以下「ＦＥＤ」）が知られている（例えば、非特許文献１及び２参照）。

しかしながら、炭素系微細繊維を用いた冷陰極素子をＦＥＤに応用して実用化するには、炭素系微細繊維を用いた冷陰極素子の信頼性及び電子放出特性において改善すべき課題があり、この課題を解決するために種々の提案がなされている。

まず、信頼性における課題について説明する。図１２に示された冷陰極素子１において、信頼性を低下させる原因の１つとして、カソード電極３と電子引出電極５との間における電気的な短絡が挙げられる。カソード電極３と電子引出電極５との間に設けられた絶縁層４の厚さは、通常数μｍ程度であり、カソード電極３上に形成された炭素系微細繊維６の長さも通常数μｍ程度なので、炭素系微細繊維６が電子引出電極５と接触することがあり、その結果、カソード電極３と電子引出電極５とが電気的に短絡して冷陰極素子１が動作不良を起こしてしまうという課題がある。

この課題の解決を図るものとして、オゾンや水素化物プラズマを用いて炭素系微細繊維６の長さを短くするトリミングの方法が提案されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。なお、トリミングとは、炭素系微細繊維６の長さを形成後の長さよりも短くする処理をいい、炭素系微細繊維６を電子引出電極５から離隔させ、カソード電極３と電子引出電極５との間の電気的な短絡を防止するための処理である。

次に、電子放出特性における課題について説明する。ＦＥＤは、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等と比較すると高速応答、低消費電力であるという特徴を有しているが、さらなる輝度の向上及び均一性を図るために電子放出特性の改善が要求されている。この電子放出特性の改善を図るものとして、レーザ光を炭素系微細繊維に照射することにより、炭素系微細繊維の表面を活性化させる方法が提案されている（例えば、非特許文献３参照）。
Ｓ．Ｋａｎｇ，ｅｔａｌ．，ＳＩＤ'０３Ｄｉｇｅｓｔ，ｐｐ．８０２−８０５（２００３）Ｍ．Ｌｅｖｉｓ，ｅｔａｌ．，Ｐｒｏｃ．ＩＤＷ／ＡＤ'０５，ｐｐ．１６３５−１６３８（２００５）Ｗ．Ｒｏｃｈａｎａｃｈｉｒａｐａｒ，ｅｔａｌ．Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ２３，ｐｐ．７６５−７６８（２００５）特開２００５−３１７４１５号公報

しかしながら、前述のような信頼性を改善するためのトリミング工程や電子放出特性の改善工程は、従来別々の容器内で実施されるので、冷陰極素子の製造工程が煩雑となって製造コストが増大するという課題があった。

また、レーザ光による炭素系微細繊維の活性化処理を、例えば比較的大画面のＦＥＤに適用しようとすると、冷陰極素子が形成された画面全体にわたってレーザ光を均一に照射することが困難となるので、炭素系微細繊維に安定した活性化処理が施せず、電子放出特性の改善が行えないという課題があった。

また、例えば図１２に示すような構造の冷陰極素子１に対して、レーザ光による炭素系微細繊維６の活性化処理を実施しようとする場合、炭素系微細繊維６の表面のみを活性化処理するようレーザ光を制御することは困難であり、電子引出電極５や炭素系微細繊維６全体が熱ダメージを受けて冷陰極素子１の特性が劣化してしまうので、電子放出特性の改善が行えないという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、従来のものよりも簡便に制御性よく信頼性及び電子放出特性を改善することができる冷陰極素子の製造方法及びこれを用いた冷陰極素子を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、炭素系微細繊維の製造に係る実験及び検討を重ねた結果、（１）波長１８５ｎｍ以下の光の照射により酸素活性種を発生させて炭素系微細繊維をトリミングすること、（２）トリミングした後に水素を含む雰囲気中で波長１７２ｎｍ以下の光を照射することにより炭素系微細繊維の活性化処理を行うこと、により前述の課題が解決されることを見出した。

すなわち、本発明の冷陰極素子の製造方法は、炭素系微細繊維を形成する炭素系微細繊維形成工程と、形成された前記炭素系微細繊維をトリミングするトリミング工程と、トリミングされた前記炭素系微細繊維を活性化させる活性化処理工程とを含み、前記トリミング工程は、酸素を含むガスが注入された容器内において、前記炭素系微細繊維形成工程で形成された前記炭素系微細繊維に波長１６０ｎｍの光を含む真空紫外光を照射することによって行われる工程であり、前記活性化処理工程は、水素を含むガスが注入された容器内において、前記真空紫外光を照射することによって前記炭素系微細繊維を活性化させる工程であり、前記トリミング工程及び前記活性化処理工程は、同一の容器内で行われる構成を有している。

この構成により、本発明の冷陰極素子の製造方法は、トリミング工程と活性化処理工程とを同一の容器内で化学的に行うことが可能となるので、従来のものよりも簡便に制御性よく炭素系微細繊維のトリミング処理を実施して信頼性を向上させることができ、電子放出特性を改善することができる。

また、この構成により、本発明の冷陰極素子の製造方法は、水素を含むガスに波長１６０ｎｍの光を含む真空紫外光を照射することによって炭素系微細繊維を活性化させるので、従来のものよりも電子放出特性を改善することができる。

また、この構成により、本発明の冷陰極素子の製造方法は、光の照射領域内にある炭素系微細繊維のみを活性化させ、光の照射領域外にある炭素系微細繊維を活性化させないので、光の照射領域外にある炭素系微細繊維からの放出電子による電流が、光の照射領域内にある炭素系微細繊維からの放出電子による電流に比べて相対的に低下することとなり、電流の取り出し効率を向上させることができる。

また、この構成により、本発明の冷陰極素子の製造方法は、トリミング工程及び活性化処理工程を同一の容器内で行うことによって、これらの工程が別々の容器内で実施される従来のものよりも簡便に制御性よく炭素系微細繊維のトリミング処理を実施して信頼性を向上させることができ、電子放出特性を改善することができると共に、従来のものよりも製造コストを低減することができる。

本発明の冷陰極素子は、請求項１に記載の冷陰極素子の製造方法で製造される冷陰極素子であって、電子を放出する炭素系微細繊維が形成されるカソード電極と、このカソード電極に対向して設けられ、前記電子を通過させる貫通孔を有し、前記炭素系微細繊維から前記電子を引き出す電子引出電極とを備え、前記カソード電極に対して前記貫通孔を垂直方向に投影した投影領域内にある炭素系微細繊維からの放出電子による電流の密度が、投影領域外にある炭素系微細繊維からの放出電子による電流の密度よりも大きい構成を有している。

この構成により、本発明の冷陰極素子は、投影領域内にある炭素系微細繊維からの放出電子による電流の密度が、投影領域外にある炭素系微細繊維からの放出電子による電流の密度よりも大きいので、貫通孔からの放出電子による電流の取り出し効率を向上させることができる。

本発明は、従来のものよりも簡便に制御性よく信頼性及び電子放出特性を改善することができるという効果を有する冷陰極素子の製造方法及びこれを用いた冷陰極素子を提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明に係る冷陰極素子の第１の実施の形態の構成について説明する。

図１に示すように、本実施の形態における冷陰極素子１０は、基板１１と、基板１１上に形成されたカソード電極１２と、カソード電極１２上に形成された絶縁層１３と、絶縁層１３上に形成された電子引出電極１４と、電子を放出する炭素系微細繊維１５とを備えている。なお、冷陰極素子１０は、通常、基板１１上に複数形成されるが、構成をわかりやすくするため、図１には１冷陰極素子分の構成が示されている。

基板１１は、例えばガラス、セラミクス、シリコン等の絶縁性を有する材料や、表面を酸化させたシリコン基板のように表面を絶縁膜で覆った導電性を有する材料等で構成されている。

カソード電極１２は、例えばＣｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｗ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｎｉ等の導電性を有する材料で構成され、炭素系微細繊維１５と電気的に接続されている。

絶縁層１３は、例えばＳｉＯ_２、ＴＥＯＳ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｔａ_２Ｏ_５、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等により構成されている。

電子引出電極１４は、例えばＣｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｗ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｎｉ等の導電性を有する材料で構成されている。

炭素系微細繊維１５は、ＣＮＴやＧＮＦ等で構成され、カソード電極１２と電子引出電極１４との間に印加される電圧によって電子を放出するようになっている。

本実施の形態における冷陰極素子１０は、前述のように構成されており、カソード電極１２と電子引出電極１４との間に電圧が印加されると、炭素系微細繊維１５によって電子が放出される。この冷陰極素子１０をＦＥＤに応用する場合は、例えばガラス基板上に陽極電極及び蛍光体層が順次積層された陽極基板を用意し、冷陰極素子１０の電子引出電極１４と蛍光体層とを対向配置して真空封止する。この構成において、カソード電極１２と電子引出電極１４との間に電圧が印加されると、炭素系微細繊維１５によって電子が放出され、放出された電子は、カソード電極１２と陽極電極との間に印加される陽極電圧によって加速されて陽極電極の方向に進み、蛍光体層を通過して蛍光体層を発光させた後、陽極電極に達する動作を行うことにより所定の画像が表示される。

次に、本実施の形態における冷陰極素子１０の製造方法について説明する。なお、本実施の形態では、いわゆるリフトオフ法による冷陰極素子１０の製造方法を例に挙げて説明する。ただし、以下に記載した製造上の手法、寸法、温度等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではない。

まず、例えばガラスで構成された基板１１上にカソード電極１２を形成する（図２（ａ））。具体的には、カソード電極１２は、スパッタリング法や蒸着法により例えばＣｒの薄膜を１０ｎｍ〜５μｍ程度の厚さに堆積させた後、フォトリソグラフィにより例えば帯状にパターニングして形成する。

次いで、カソード電極１２上に、絶縁層１３、電子引出電極１４及びレジスト１６を順次形成する（図２（ｂ））。具体的には、例えばＳｉＯ_２をカソード電極１２上にスパッタリング法や蒸着法により１００ｎｍ〜５μｍ程度の厚さに堆積して絶縁層１３を形成し、絶縁層１３上に例えばＣｒをスパッタリング法や蒸着法により１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の厚さで堆積して電子引出電極１４を形成し、電子引出電極１４上にレジスト１６を塗布する。

続いて、フォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層１３、電子引出電極１４及びレジスト１６をパターニングし、電子引出電極１４及びホール１４ａを形成する（図２（ｃ））。ホール１４ａのエッチングは、カソード電極１２を露出させるように行う。

さらに、スパッタリング法や蒸着法により、例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうち少なくとも１つを含む金属からなる触媒１７をカソード電極１２及びレジスト１６上に１ｎｍ〜５０ｎｍ程度の厚さに堆積させる（図３（ｄ））。

次いで、リフトオフ法により、電子引出電極１４上に堆積されたレジスト１６を剥離液によって除去することによって、カソード電極１２上にのみ触媒１７を残す（図３（ｅ））。

そして、熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法等の化学気相成長法によって、ＣＮＴやＧＮＦ等で構成される炭素系微細繊維１５を触媒１７上に形成することにより冷陰極素子３１が得られる（図３（ｆ））。このとき、図３（ｆ）に示すように、電子引出電極１４と炭素系微細繊維１５とが接触する場合があり、この場合は電子引出電極１４と炭素系微細繊維１５とが電気的に短絡してしまい、動作不良が起こることとなる。

引き続き、１８５ｎｍ以下の波長、好ましくは後述の活性化処理を考慮して１７２ｎｍ以下の波長（以下この波長とする。）の光を発する光源４２を有する容器４１を用意し、容器４１に冷陰極素子３１を導入した後に酸素を含むガスを注入し、１７２ｎｍ以下の波長の光を炭素系微細繊維１５に照射する。その結果、１７２ｎｍ以下の波長の光により、酸素分子からオゾンや励起酸素原子という化学的に活性な種（以下「酸素活性種」という。）が生成され、この酸素活性種によって炭素系微細繊維１５がトリミングされる（図４（ｇ）：トリミング工程）。トリミング工程を経た結果、カソード電極１２と電子引出電極１４との間の電気的な短絡が解消された冷陰極素子３２が得られる（図４（ｈ））。

ここで、トリミングとは、炭素系微細繊維１５の長さを短くする処理をいう。トリミング工程によって、炭素系微細繊維１５は電子引出電極１４から離隔され、カソード電極１２と電子引出電極１４との間の電気的な短絡が解消される。このトリミングは、酸素を含むガスに１８５ｎｍ以下の波長の光を照射することにより発生したオゾンや励起酸素原子が、炭素系微細繊維１５の表面と酸化分解反応等の化学反応を起こすことによって行われるものと考えられる。なお、光源４２の波長を１７２ｎｍとしたのは、同じ光源４２で後述の活性化処理も行うことを想定したためであり、実験によればトリミング工程において用いる光の波長は１８５ｎｍ以下であればよいことがわかっている。

なお、トリミング工程は、大気中で行うこともできるが、図４（ｇ）に示すような容器４１内で行うことによりトリミングの速度を任意に制御することができて好ましい。例えば、容器４１内にＯ_２、ＣＯ_２、ＣＯ等のような酸素を含むガスや、Ｎ_２、Ａｒ等のように酸素を含まないガスを導入することによって、容器４１内の酸素の量を増減させ、トリミングの速度を任意に制御することができる。

また、トリミングの速度は、図４（ｇ）において光源４２から冷陰極素子３１までの距離を、例えば１ｍｍ〜３０ｃｍの範囲で変化させて光の照度を変えることによっても増減することができ、また、基板１１の温度を例えば２０〜３００℃に変えることによっても増減することができる。なお、前述した光源４２と冷陰極素子３１との間の距離や基板１１の温度は一例であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、酸素活性種を発生させることができるだけのエネルギを持った波長の光により、炭素系微細繊維１５がトリミングされる条件であればよい。

引き続き、容器４１に冷陰極素子３２を導入した後に水素を含むガスを注入し、光源４２によって１７２ｎｍ以下の波長の光を炭素系微細繊維１５に照射することにより（図５（ｉ）：活性化処理工程）、炭素系微細繊維１５からの電子放出特性が活性化、安定化した冷陰極素子１０（図１参照）が得られる。なお、光源４２としては、トリミング工程（図４（ｇ）参照）で用いたものと必ずしも同一のものとする必要はなく、炭素系微細繊維１５を活性化できるエネルギを持ったものであればよい。

この活性化処理おいて、光化学反応によって炭素系微細繊維１５の表面の炭素の結合手が水素で終端されることにより、炭素系微細繊維１５からの電子放出特性が活性化、安定化するものと考えられる。また、前述のトリミング工程（図４（ｇ）参照）と同様に、光源４２から冷陰極素子３２までの距離や、基板１１の温度を変化させることにより、活性化処理の速度を任意に制御することができる。

次に、本実施の形態のおけるトリミング処理及び活性化処理の効果について確認した実験について説明する。

まず、図６（ａ）に示すような冷陰極素子を集積させた基板をリフトオフ法により製作した。すなわち、実験で用いた冷陰極素子は、冷陰極基板を備え、冷陰極基板は、ガラス基板と、ガラス基板上にスパッタリング法によって形成した２００ｎｍ程度の厚さのＣｒを用いたカソード電極と、カソード電極上にスパッタリング法によって形成した２．５μｍ程度の厚さのＳｉＯ_２と、スパッタリング法によってＳｉＯ_２上に形成した２００ｎｍ程度の厚さのＣｒを用いた電子引出電極と、エッチング法によってホールを形成し、露出させたカソード電極上に、Ｆｅ、Ｃｒ及びＮｉを蒸着法によって形成した５ｎｍ程度の厚さの合金触媒と、ＧＮＦとを備えている。

ＧＮＦは、合金触媒を形成した後、水素と一酸化炭素とを約１：１の割合にて大気圧（１０１ｋＰａ）相当の圧力になるまで導入した容器中において、容器中に設置した赤外線ランプによって約６００℃まで加熱することによって、合金触媒に炭素系微細繊維としてＧＮＦを成長させたものである。また、カソード電極と電子引出電極は、基板を上面から見たときに直交するような配置で帯状にパターニングされており、電極の本数は、カソード電極が１９２本、電子引出電極が６４本である。基板を上面から見たときに、カソード電極と電子引出電極とが交差する部分にホール及びＧＮＦが形成されており、所望のカソード電極と電子引出電極とに電圧を印加することにより、所望の位置の冷陰極素子から電子を放出させることができるようになっている。また、カソード電極と電子引出電極とが交差する部分毎に、５５個の冷陰極素子が集積されている。

次いで、主波長が１６０．８ｎｍの真空紫外線光源を有する容器中で約３０分間真空紫外線光を照射して、ＧＮＦのトリミング処理を実施した。このとき、真空紫外線光源の入力パワーは１５０Ｗ、容器内には空気が１０１ｋＰａの圧力で導入されていた。また、真空紫外線光源から冷陰極基板までの距離は約１０ｃｍで、冷陰極基板の温度は２３℃であった。真空紫外光を照射した後、容器内の圧力が１Ｐａ未満になるまで排気し、容器内に水素ガスを導入した。容器内の圧力が大気圧相当の圧力になるまで水素ガスを導入した後、真空紫外光を約６時間照射して活性化処理を行った。このとき、真空紫外線光源の入力パワーは１５０Ｗ、容器内の圧力は大気圧であった。また、真空紫外線光源と冷陰極基板との間の距離は約１０ｃｍで、冷陰極基板の温度は２３℃であった。

さらに、本実施形態におけるトリミング処理及び活性化処理の効果を確認するため、図６（ａ）に示すような陽極基板を冷陰極基板に対向配置した。ここで、陽極基板は、ガラス基板と、陽極としての透明電極と、蛍光体とを備えたものである。また、冷陰極基板から陽極基板までの距離は７ｍｍとし、５×１０^−５Ｐａの真空下において、カソード電極と電子引出電極との間に電子引出電圧を、透明電極と電子引出電極との間に３００Ｖの陽極電圧をそれぞれ印加することにより、３５２０個の冷陰極素子から放出された電子を陽極電流として測定した。その結果、本実施形態におけるトリミング処理の効果として図６（ｂ）に示すような実験結果が得られた。

図６（ｂ）において、本実施形態におけるトリミング処理を施すことによって、同じ電子引出電圧の場合に電子引出電極に流れる電流が減少していることが示されている。これは、本実施形態のトリミング処理により、ＧＮＦの長さが短くなり、カソード電極と電子引出電極との短絡が減少したためと考えられる。また、図６（ｂ）に示された実験結果は、本実施形態におけるトリミング処理によって、ＧＮＦが実際にトリミングされたことを示している。

一方、本実施形態における活性化処理の効果としては、図７に示す結果が得られた。冷陰極基板から陽極基板までの距離は約７ｍｍとし、５×１０^−５Ｐａの真空下において、カソード電極と電子引出電極との間に電子引出電圧を、透明電極と電子引出電極との間に３００Ｖの陽極電圧をそれぞれ印加することにより、３５２０個の冷陰極素子から放出された電子を陽極電流として測定した。活性化処理を施すことによって、同じ電子引出電極の場合の陽極電流が増加していることが示されている。これは、本実施形態の活性化処理によって、ＧＮＦが実際に活性化されたことを示している。

以上のように、本実施の形態における冷陰極素子１０によれば、酸素活性種によってトリミング処理が施された後、水素ガス中において活性化処理が施された炭素系微細繊維１５を備える構成としたので、従来のものよりも信頼性及び電子放出特性を改善することができる。

したがって、本実施の形態における冷陰極素子１０を例えばＦＥＤに適用した場合、全画素を動作させることができ、発光面全域にわたって均一な表示特性を有するディスプレイが得られることとなり、特に大画面化及び高画質化において著しい効果が得られる。

また、本実施の形態における冷陰極素子１０の製造方法によれば、炭素系微細繊維１５の形成後の長さを酸素活性種によって短くするトリミング工程と、炭素系微細繊維１５を活性化させる活性化処理工程とを含むので、従来のものよりも簡便に制御性よく炭素系微細繊維１５のトリミング処理を実施して信頼性を向上させることができ、電子放出特性を改善することができる。

また、本実施の形態における冷陰極素子１０の製造方法によれば、トリミング工程及び活性化処理工程を同一の容器内で行う構成としたので、これらの工程が別々の容器内で実施される従来のものよりも簡便に制御性よく炭素系微細繊維のトリミング処理を実施して信頼性を向上させることができ、電子放出特性を改善することができると共に、従来のものよりも製造コストを低減することができる。

なお、前述の実施の形態において、炭素系微細繊維１５を化学気相成長法によって形成する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の製造方法を用いて炭素系微細繊維１５を形成する構成としても同様の効果が得られる。

また、前述の実施の形態において、冷陰極素子１０をリフトオフ法で製造する方法を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

（第２の実施の形態）
まず、本発明に係る冷陰極素子の第２の実施の形態の構成について説明する。

図８に示すように、本実施の形態における冷陰極素子２０は、基板２１と、基板２１上に形成されたカソード電極２２と、カソード電極２２上に形成された触媒層２３と、触媒層２３上に形成された絶縁層２４と、絶縁層２４上に形成された電子引出電極２５と、電子を放出する炭素系微細繊維２６とを備えている。

なお、本実施の形態における冷陰極素子２０は、いわゆる積層型と呼ばれるものであり、第１の実施の形態における冷陰極素子１０（図１参照）に対して触媒層２３を追加した構成であるので、触媒層２３以外の構成については説明を省略する。また、冷陰極素子２０は、通常、基板２１上に複数形成されるが、構成をわかりやすくするため、図８には１冷陰極素子分の構成が示されている。

触媒層２３は、例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうち少なくとも１つを含む金属から構成されている。

本実施の形態における冷陰極素子２０は、前述のように構成されており、カソード電極２２と電子引出電極２５との間に電圧が印加されると、炭素系微細繊維２６によって電子が放出される。この冷陰極素子２０をＦＥＤに応用する場合は、例えばガラス基板上に陽極電極及び蛍光体層が順次積層された陽極基板を用意し、冷陰極素子２０の電子引出電極２５と蛍光体層とを対向配置して真空封止する。この構成において、カソード電極２２と電子引出電極２５との間に電圧が印加されると、炭素系微細繊維２６によって電子が放出され、放出された電子は、カソード電極２２と陽極電極との間に印加される陽極電圧によって加速されて陽極電極の方向に進み、蛍光体層を通過して蛍光体層を発光させた後、陽極電極に達する動作を行うことにより所定の画像が表示される。

次に、本実施の形態における冷陰極素子２０の製造方法について説明する。なお、以下に記載した製造上の手法、寸法、温度等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではない。

まず、例えばガラスで構成された基板２１上にカソード電極２２及び触媒層２３を順次形成する（図９（ａ））。具体的には、カソード電極２２は、スパッタリング法や蒸着法により例えばＣｒの薄膜を１０ｎｍ〜５μｍ程度の厚さに堆積させた後、フォトリソグラフィにより例えば帯状の形状にパターニングして形成する。また、スパッタリング法や蒸着法により、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうち少なくとも１つを含む金属からなる触媒層２３をカソード電極２２上に形成した後、エッチングやリフトオフ法により触媒層２３をカソード電極２２上にパターニングする。

次いで、触媒層２３上に、絶縁層２４、電子引出電極２５及びレジスト２７を順次形成する（図９（ｂ））。具体的には、例えばＳｉＯ_２を触媒層２３上にスパッタリング法や蒸着法により１００ｎｍ〜５μｍ程度の厚さに堆積して絶縁層２４を形成し、絶縁層２４上に例えばＣｒをスパッタリング法や蒸着法により１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の厚さで堆積して電子引出電極２５を形成し、電子引出電極２５上にレジスト２７を塗布する。

続いて、フォトリソグラフィ及びエッチングによって、絶縁層２４、電子引出電極２５及びレジスト２７をパターニングし、電子引出電極２５及びホール２５ａを形成する（図９（ｃ））。ホール２５ａのエッチングは、触媒層２３を露出させるように行う。なお、以下の説明において、図９（ｃ）に示すように、露出した触媒層２３の領域のうち、ホール２５ａを投影した領域を「ホール内」、ホール内の外側の領域を「ホール外」という。ここで、ホール２５ａ、ホール内の領域及びホール外の領域は、それぞれ、特許請求の範囲に記載の貫通孔、投影領域内及び投影領域外に対応するものである。

次いで、電子引出電極２５上に堆積されたレジスト２７を剥離液によって除去した後、熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法等の化学気相成長法によって、ＣＮＴやＧＮＦ等で構成される炭素系微細繊維２６を触媒層２３上に形成することにより冷陰極素子３３が得られる（図１０（ｄ））。このとき、図１０（ｄ）に示すように、電子引出電極２５と炭素系微細繊維２６とが接触する場合があり、この場合は電子引出電極２５と炭素系微細繊維２６とが電気的に短絡してしまい、動作不良が起こることとなる。なお、図１０（ｄ）において破線で示されたホール外においても電気的な短絡が発生している。

引き続き、１８５ｎｍ以下の波長、好ましくは後述の活性化処理を考慮して１７２ｎｍ以下の波長（以下この波長とする。）の光を発する光源４３を有する容器（図示省略）を用意し、容器内に冷陰極素子３３を導入した後に酸素を含むガスを注入し、１７２ｎｍ以下の波長の光を炭素系微細繊維２６に照射する。その結果、１７２ｎｍ以下の波長の光により酸素活性種が生成され、この酸素活性種によって炭素系微細繊維２６がトリミングされる（図１０（ｅ）：トリミング工程）。トリミング工程を経た結果、カソード電極２２と電子引出電極２５との間の電気的な短絡が解消された冷陰極素子３４が得られる。

ここで、酸素活性種が炭素系微細繊維２６の表面で反応することによりトリミングが進むと考えられるため、形成された炭素系微細繊維２６は等方的にトリミングされる。このトリミングの等方性により、ホール内に存在している炭素系微細繊維２６だけでなく、ホール外に存在している炭素系微細繊維２６（図１０（ｄ）の破線部内）も均一にトリミングされることとなる。その結果、ホール内だけでなく、ホール外においてもカソード電極２２と電子引出電極２５との電気的な短絡を解消することができ、信頼性を向上することができる。

なお、光源４３の波長を１７２ｎｍとしたのは、同じ光源４３で後述の活性化処理も行うことを想定したためであり、実験によればトリミング工程において用いる光の波長は１８５ｎｍ以下であればよいことがわかっている。また、トリミング工程を大気中で行うこともできる。

また、トリミング工程において、光源４３から冷陰極素子３３までの距離を変更することによりトリミングの速度を任意に制御することができる。

引き続き、容器（図示省略）内に冷陰極素子３４を導入した後に水素を含むガスを注入し、光源４３によって１７２ｎｍ以下の波長の光を炭素系微細繊維２６に照射することにより（図１１（ｆ）：活性化処理工程）、炭素系微細繊維２６からの電子放出特性が活性化、安定化した冷陰極素子２０（図８参照）が得られる。

なお、光源４３としては、トリミング工程（図１０（ｅ）参照）で用いたものと必ずしも同一のものとする必要はなく、炭素系微細繊維２６を活性化できるエネルギを持ったものであればよい。また、光源４３から冷陰極素子３４までの距離や、基板２１の温度を変化させることにより、活性化処理の速度を任意に制御することができる。

本実施の形態における活性化処理では、図１１（ｆ）に示すように、ホール外には光が照射されないので、ホール内に存在している炭素系微細繊維２６のみを活性化することができる。その結果、ホール外に存在する炭素系微細繊維２６からの放出電子による電流の密度が、ホール内に存在する炭素系微細繊維２６からの放出電子による電流の密度に比べて相対的に低下することとなり、炭素系微細繊維２６からの全放出電子による電流が電子引出電極２５に流入する割合、すなわちホール２５ａからの放出電子による電流の取り出し効率を向上させることができる。

したがって、本実施の形態におけるトリミング工程及び活性化処理工程を設けることにより、図８に示すような電子引出電極２５と炭素系微細繊維２６との電気的な短絡が無く、すなわち信頼性が向上し、なおかつ活性化処理により電子放出特性が改善された冷陰極素子２０を簡便な工程により制御性よく製造することができる。

以上のように、本実施の形態における冷陰極素子２０によれば、酸素活性種によってトリミング処理が施された後、水素ガス中において活性化処理が施された炭素系微細繊維２６を備える構成としたので、従来のものよりも信頼性及び電子放出特性を改善することができる。

また、本実施の形態における冷陰極素子２０の製造方法によれば、炭素系微細繊維２６の活性化工程において、光の照射領域内にある炭素系微細繊維２６のみを活性化させ、光の照射領域外にある炭素系微細繊維２６を活性化させないので、光の照射領域外にある炭素系微細繊維２６からの放出電子による電流が、光の照射領域内にある炭素系微細繊維２６からの放出電子による電流に比べて相対的に低下することとなり、電流の取り出し効率を向上させることができる。

なお、前述の実施の形態において、炭素系微細繊維２６を化学気相成長法によって形成する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の製造方法を用いて炭素系微細繊維２６を形成する構成としても同様の効果が得られる。

以上のように、本発明に係る冷陰極素子の製造方法及びこれを用いた冷陰極素子は、従来のものよりも簡便に制御性よく信頼性及び電子放出特性を改善することができるという効果を有し、炭素系微細繊維を備えた冷陰極素子、ディスプレイ、撮像装置、照明装置等として有用である。

本発明に係る冷陰極素子の第１の実施の形態を示す概略断面図本発明に係る冷陰極素子の第１の実施の形態の製造工程を示す概略断面図本発明に係る冷陰極素子の第１の実施の形態の製造工程を示す概略断面図本発明に係る冷陰極素子の第１の実施の形態の製造工程を示す概略断面図本発明に係る冷陰極素子の第１の実施の形態の製造工程を示す概略断面図本発明に係る冷陰極素子の第１の実施の形態における実験結果の説明図（ａ）実験で用いた冷陰極素子の構成図（ｂ）トリミング処理の実験結果を示すグラフ本発明に係る冷陰極素子の第１の実施の形態における活性化処理の実験結果を表すグラフ本発明に係る冷陰極素子の第２の実施の形態を示す概略断面図本発明に係る冷陰極素子の第２の実施の形態の製造工程を示す概略断面図本発明に係る冷陰極素子の第２の実施の形態の製造工程を示す概略断面図本発明に係る冷陰極素子の第２の実施の形態の製造工程を示す概略断面図従来の冷陰極素子の概略断面図

符号の説明

１０、２０冷陰極素子
１１、２１基板
１２、２２カソード電極
１３、２４絶縁層
１４ａ、２５ａホール
１４、２５電子引出電極
１５、２６炭素系微細繊維
１６、２７レジスト
１７触媒
２３触媒層
３１〜３４冷陰極素子
４１容器
４２、４３光源

Claims

炭素系微細繊維を形成する炭素系微細繊維形成工程と、形成された前記炭素系微細繊維をトリミングするトリミング工程と、トリミングされた前記炭素系微細繊維を活性化させる活性化処理工程とを含み、
前記トリミング工程は、酸素を含むガスが注入された容器内において、前記炭素系微細繊維形成工程で形成された前記炭素系微細繊維に波長１６０ｎｍの光を含む真空紫外光を照射することによって行われる工程であり、
前記活性化処理工程は、水素を含むガスが注入された容器内において、前記真空紫外光を照射することによって前記炭素系微細繊維を活性化させる工程であり、
前記トリミング工程及び前記活性化処理工程は、同一の容器内で行われることを特徴とする冷陰極素子の製造方法。
請求項１に記載の冷陰極素子の製造方法で製造される冷陰極素子であって、電子を放出する炭素系微細繊維が形成されるカソード電極と、このカソード電極に対向して設けられ、前記電子を通過させる貫通孔を有し、前記炭素系微細繊維から前記電子を引き出す電子引出電極とを備え、
前記カソード電極に対して前記貫通孔を垂直方向に投影した投影領域内にある炭素系微細繊維からの放出電子による電流の密度が、投影領域外にある炭素系微細繊維からの放出電子による電流の密度よりも大きいことを特徴とする冷陰極素子。