JPH0793097B2

JPH0793097B2 - 電子放出素子とその製造方法

Info

Publication number: JPH0793097B2
Application number: JP33074089A
Authority: JP
Inventors: 薫冨井; 亨菅野; 彰金子
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-12-19
Filing date: 1989-12-19
Publication date: 1995-10-09
Anticipated expiration: 2010-10-09
Also published as: JPH03190034A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、平板形表示装置等に用いられる電子放出素子
とその製造方法に関するものである。

従来の技術最近、平板形表示装置等に用いられる電子源として冷陰
極を用いた電子放出素子の開発が活発に行なわれてい
る。

この冷陰極（電界放出型陰極）は、電子放出を行なわせ
るために針の先端の曲率が10μｍ以下となるように加工
し、その陰極エミッタ先端に、10⁶V/cm程度の強電界が
集中するように構成されている。冷陰極は、一般に次の
ような長所を有する。（１）電流密度が高い、（２）陰
極を加熱する必要がないので電力消費が非常に少ない、
（３）点（ポイント）および線（ライン）電子線源とし
て使用できる、の３点である。

また、これらの冷陰極は、多数の冷陰極をアレイ状に配
列させた冷陰極アレイも知られている。同アレイを用
い、平面パネルディスプレイなどに使う試みもなされて
いる。

この冷陰極アレイの製造方法として種々の提案がなされ
ている。その一例として、ジャーナル・オブ・アプライ
ド・フィジックス,3504〜3505頁,No7,第39巻,1968年（J
OURNAL OF APPLIED PHYSICS,P.3504〜1505,No7,Vol.39,
1968）に記載されている方法について第７図（ａ），
（ｂ）を参照しながら説明する。

第７図（ａ）において、（電気）絶縁基板101の上に導
電性膜102、絶縁層103、および導電性膜104を適当なマ
スクを用いて順次蒸着し、複数のアレイ状に配列した空
洞105を作成し、次いで、回転斜蒸着によって適当な物
質107で漸次この空洞105の開口部を閉じさせつつ、この
開口部真上より陰極材料106を正蒸着することによって
空洞105内の導電性膜108を形成させ、最後に第７図
（ｂ）に示すように、物質107を除去するようにするこ
とにより冷陰極アレイが完成する。

次に、他の方法の一例として、特公昭54-17551号公報に
記載されている方法につき第８図（ａ）〜（ｆ）を参照
しながら説明する。

第８図（ａ）〜（ｆ）において、電気絶縁性の矩形基板
51を複数個用意し、その一表面上に陰極材料薄膜52を被
着し、陰極薄膜付着基板53を複数個重ね合わせて一体化
した後、第８図（ａ）に示すように、重ね合わせ基板54
の各表面を機械研磨する。次いで、第８図（ｂ）に示す
ように、その広い一表面に金属55を蒸着し、第８図
（ｃ）に示すように、陰極材料52直上の金属55に、これ
と同程度の幅の狭い電子引き出し用の窓56をフォトエッ
チング法を利用して設ける。この後、陰極薄膜付着基板
53を分離し、第８図（ｄ）に示すように、それぞれの基
板53上の陰極材料薄膜52を、先端が鋭い山型のパターン
状にエッチング法によって加工する。このようにして得
たすべての基板53の陰極エミッタ57の先端近辺が基板51
から孤立し、かつ電子引き出し用窓56側の金属55が基板
51から棚状にせり出す程度まで適当な化学腐食によって
基板51を部分的に除去して空洞58を形成した基板53を作
る（第８図（ｅ））。ここでふたたび第８図（ｆ）に示
すように、分離する前の重ね合わせ基板54と同じように
なるように基板53を重ね合わせて固定することによって
薄膜冷陰極アレイが得られる。

発明が解決しようとする課題しかし、以上のような構成では、複数のアレイ状の空洞
内に陰極エミッタ突起を作成する際、回転斜蒸着と真上
から行う正蒸着を同時に行うことが必要で、この同時蒸
着の制御を正確に行うことが必要であるという課題を有
していた。

一方、電子引き出し用の窓と陰極との位置合わせ精度を
高めようとすると、電気絶縁性基板の板厚、および導電
性膜の膜厚の精度が高く要求され、かつ重ね合わせ基板
の分離前後での一体固定精度が同一である必要があり、
これらを精度よく固定することは非常に困難であるとい
う課題を有していた。

本発明は、上記課題に鑑み、製造が容易な構造の電子放
出素子とそ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本発明は、第１に断面の一部が矩形の形状をした陰極材
料と、絶縁層が絶縁基板の同一面上に形成され、絶縁層
は陰極材料の両側もしくは片側に所定の間隔をおいて配
置されており、絶縁層の表面には陰極材料から電子を引
き出すための制御電極を、陰極材料のエッジ部と制御電
極端とがほぼ平行になるように形成して電子放出素子を
構成し、陰極断面形状を矩形とし、そのエッヂ部に電界
が集中しやすい構造にすることにより、効率良く電子放
出が得られるようにしたものである。

また、第２には、少なくとも陰極材料は平面的には楔状
をした部分を有するものである。

また、第３には、放出された電子が陰極面に垂直な方向
に進行するように、陰極面と同等、あるいはそれより高
い位置に制御電極を設けたものである。

また、第４には、陰極と制御電極の位置関係を精度良く
保つために、所定の形状に形成した陰極を基準に制御電
極を形成したものである。

また、第５には、それぞれ複数本の陰極と制御電極を直
交させ、その交点である電子放出部の陰極の平面形状を
ジグザグ形状にし、電子放出領域を多くしたものであ
る。

作用本発明は上記構成により、第１に陰極からの電子放出効
率を高く、かつ陰極と制御電極の耐電圧を高くすること
が可能となり、その結果信頼性を向上させることができ
る。

また、第２に陰極と制御電極の位置合わせの高精度化が
可能となり、電子放出量の揃った電子放出素子を歩留ま
り良く製造することができる。

また、第３に陰極材料エッジ部に電界集中を起こさせ、
エミッション開始電圧の低下を図ることができる。

また、第４に１絵素当たりの電子放出量を多くできると
ともに、均一な電子放出特性のマトリックス電子放出源
を得ることができる。

実施例以下、本発明の第１実施例について説明する。

第１図（ａ）、及び（ｂ）は電子放出素子のそれぞれ斜
視図、及び断面図である。第１図（ａ）、及び（ｂ）に
おいて、４は絶縁基板であり、絶縁基板４上には、陰極
材料１、絶縁層２、及び絶縁層２上に設けた制御電極３
である。

以上のような第１図の構成において、陰極材料１はガラ
ス等の絶縁基板４の上に膜厚1000Å以上で形成され、そ
の材料として仕事関数が低く、かつ高融点のもの、例え
ばSiC,ZrC,TiC,Mo,W等を用いる。また、陰極材料１の幅
（ｗ）は、電子放出素子の用途によって決められるもの
であり、特に限定するものではない。陰極材料１の両
側、（片側でも良い）には、陰極材料１の厚さと少なく
とも同等以上のAl₂O₃，SiO₂等からなる絶縁層２が陰極
材料１とは離れた位置で絶縁性基板４の上に形成され、
さらに絶縁層２の表面には、陰極から電子を引き出すた
めの金属膜等からなる制御電極３が形成される。

上記の構造の電子放出素子は、陰極材料１に対して制御
電極３に正の電圧を印加すると、陰極材料１のエッヂ部
（第１図C,D）に電気力線が集中し、強電界となる。し
たがって従来よりも低い電圧を制御電極３に印加して、
陰極材料１のエッヂ部から電子を引き出すことができ
る。

次に、第１図（ａ），（ｂ）に示した構造の電子放出素
子の製造方法につき第２図（ａ）〜（ｈ）を用いて説明
する。

まず、第２図（ａ）に示すように、ガラス等の透光性の
絶縁性基板４の表面に、後述の陰極材料１を形成する部
分以外にホトレジスト５を形成する。そしてその上から
一面に陰極材料１を真空蒸着、スパッター等の方法で、
1000Å程度以上の膜厚に形成し、その後、ホトレジスト
５を除去する。この方法により絶縁性基板４上に陰極材
料１のパターンを形成することができる。以上のように
リフトオフ法で陰極材料１を形成すると、そのエッヂ部
（第２図（ｂ）に示すC,D部分）が鋭くなり、電子放出
効率を一段と高める。なお、透光性の絶縁基板４の表面
に所定の厚さの陰極材料１を形成した後、エッチング法
によって第２図（ｂ）のパターンの陰極材料１を形成し
ても良い。次に、第２図（ｃ）に示すように陰極材料１
が形成されている絶縁性基板４の表面にポジ型のホトレ
ジスト５′を塗布し、絶縁性基板４の陰極材料１とは反
対面側から紫外線平行光６を照射し、露光後ホトレジス
ト５′を現像すると第２図（ｄ）に示すように、陰極材
料１と同じパターンのホトレジスト５′がその上に形成
される。次にその上からAl₂O₃，SiO₂等の絶縁材料２を
陰極材料層１の厚みと同等か、あるいはそれ以上の厚み
になるまで真空蒸着法等によって、全面に形成した後、
更にその上に電子引き出し用制御電極３となる金属膜を
所定の厚み（1000Å〜5000Å）で形成する。（第２図
（ｅ））その後、ホトレジスト５′を除去することによ
り、第２図（ｆ）に示すように、陰極材料１上の絶縁層
２と金属も同時に除去される。次に絶縁層２のみを軽く
エッチングし（第２図（ｇ））、続いて制御電極３とな
る金属も軽くエッチングすると、第２図（ｈ）に示すよ
うに、陰極材料１のエッヂ部が露出し、陰極材料幅
（ｗ）より少し広い間隔で電子引出し用制御電極３を形
成することができる。なお絶縁層２と制御電極３となる
金属のエッチングは、両者のエッチング液を所定の混合
比で混合したエッチング液等を用いて同時に行なっても
良い。また第２図（ｄ）において、ホトレジスト５′を
現像する際、現像時間を制御する等によって陰極材料１
の幅（ｗ）よりもわずかに広く、陰極材料１を覆うよう
にホトレジスト５′を形成すれば、第２図（ｇ），
（ｈ）で述べた工程を省略することができる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。第３図
（ｂ）〜（ｆ）は電子放出素子の製造方法を示す工程ご
との素子の断面である。第３図（ｂ）〜（ｆ）は第２図
（ａ）〜（ｈ）に示した製造方法の中で（ｃ）（ｄ）の
工程を変えたものであり、同一符合を付けている。
（ｂ）は第２図（ｂ）と同一であり、透光性の絶縁基板
４に陰極材料１が所定の形状に形成されたものである。
次に第３図（ｃ）に示すように、ネガタイプのホトレジ
スト５″を全面に塗布し、絶縁基板４側面図から紫外線
６で露光し、現像・定着を行なうと第３図（ｄ）に示す
ように、陰極材料１の表面上のホトレジストが除去され
る。次にその表面上にNi,Cu等を無電解メッキ、あるい
は蒸着、スパッター等によってAl等の金属７を形成し
（第３図（ｅ））、ホトレジスト５″を除去すると、第
３図（ｆ）に示すように陰極材料１の上にこれと異なる
金属７が形成されたものが得られる。この後の工程は第
２図（ｅ）〜（ｈ）と同一である。第３図（ｂ）〜
（ｆ）に示した電子放出素子の製造方法は、絶縁層２、
制御電極３を形成する工程時に、絶縁性基板４と絶縁層
２、及び絶縁層２と制御電極３との密着力を強くするた
めホトレジスト５′の耐熱温度以上に加熱処理を施こす
場合に適している。

次に、本発明の第３実施例について説明する。

第４図（ａ）〜（ｄ）は電子放出素子の製造方法を示す
各工程ごとの素子の断面図である。

まず、第４図（ａ）に示すように、絶縁性基板４に陰極
材料１を所定の形状に形成した後、陰極材料１の表面に
陰極材料１と異なる金属等８をメッキで形成する（第４
図（ｂ））。その後、Al₂O₃，SiO₂等の絶縁物２を真空
蒸着、スパッター等によって全面に形成し、次いで制御
電極３なる金属をその上に形成する（第４図（ｃ））。
次に、メッキ形成た金属８を絶縁性基板上４からエッチ
ング除去することにより第４図（ｄ）に示す電子放出素
子を製作することができる。尚、第４図（ｃ）におい
て、制御電極３なる金属はメッキ形成する金属８と異に
し、金属８をエッチング除去する際に制御電極３なる金
属が腐食されないように、それぞれの金属を選定してお
けば良い。

次に、上記した本発明の電子放出素子を用いた平面ディ
スプレイパネルの一実施例を第４実施例として第５図に
示す。第５図は平板ディスプレイパネルの一部断面の斜
視図である。絶縁性基板４の表面に垂直方向（第５図中
矢印Ｖ）に長いストライプ状の陰極材料１が水平方向
（第５図中矢印Ｈ）に所定のピッチで多数配列され、こ
れに直交するように制御電極３が設けられている。制御
電極３は水平方向に長いストライプ状の形状をしてお
り、電子ビームを取り出すための窓11がその中に設けら
れている。そして制御電極３は垂直方向に所定のピッチ
で互いに電気的に分離されて多数並置されている。なお
制御電極３の下には第１実施例で説明した絶縁層が設け
られるが、図面上は省略している。次に、制御電極３か
ら所定の距離を離して、螢光体からなる発行部９を表面
に形成した透明なガラス等の基板10が設置されている。

次に上記構成の平面ディスプレイパネルの動作につき説
明する。まず、標準のテレビ方式の画像を表示しようと
すると、陰極材料１は必要とする水平方向の絵素の数の
本数が並置される。また制御電極３は画像表示に有効な
走査線数の本数だけ並置される。以上の構成において、
陰極材料１と制御電極３のある特定のものに、所定の電
圧を印加して、陰極材料１の表面（コーナー部）に電子
放出に必要な電界がかかるようにして電子ビームをとり
出し、この電子が螢光面９にあたると発行する。すなわ
ちＸ−Ｙマトリックス構成のプラズマディスプレイ、液
晶ディスプレイと基本的に同じ駆動方法を用いれば、電
子線励起による螢光体発行像を得ることができる。

次に、本発明の電子放出素子の第５実施例について説明
する。第６図は第５図に示す平面ディスプレイパネルに
使用する陰極１の他の形状を示す平面図である。第６図
において、陰極１と制御電極３の交点である１絵素分に
あたる陰極部からの電子放出量ならびに各絵素の電子放
出量のバラツキを平均化して均一になるように、電子放
出部を平面的には楔状で、しかもジグザグ状に形成して
いる。

なお、陰極１と制御電極３はそれぞれ水平、並びに垂直
方法に逆の関係（90°回転）として用いても良い。

以上のように本発明は、断面の一部が矩形の形状をした
陰極材料と、絶縁層が絶縁基板の同一面上に形成され、
絶縁層は陰極材料の両側もしくは片側に所定の間隔をお
いて配置し、絶縁層の表面には陰極材料から電子を引き
出すための制御電極を設けることにより、陰極材料のエ
ッジ部から電子放出がなされるため、針状の陰極を配置
する必要がなく、製造が極めて容易となる。

また、本発明は、陰極と制御電極の位置合わせ精度の高
い電子放出素子を極めて容易に歩留まり良く製造するこ
とができ、また、マトリックス電子放出源は、多くの電
子を均一に放出させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）、及び第２図（ａ）〜（ｈ）は本
発明の第１実施例における電子放出素子のそれぞれ斜視
図、断面図、及び製造工程における構成図、第３図
（ｂ）〜（ｆ）は本発明の第２実施例における電子放出
素子の製造工程における構成図、第４図（ａ）〜（ｄ）
は本発明の第３実施例における電子放出素子の製造工程
における構成図、第５図は本発明の第４実施例における
平板ディスプレイパネルの斜視図、第６図は本発明の第
５実施例におけるマトリックス電子放出源の平面図、第
７図（ａ）〜（ｂ）及び第８図は（ａ）〜（ｆ）はそれ
ぞれ従来の電子放出素子の断面図、及び製作工程におけ
る構成図である。１……陰極材料、２……絶縁層、３……制御電極、４…
…絶縁性基板、5,5′,5″……ホトレジスト、６……紫
外線、７……金属、８……金属、９……螢光面、10……
ガラス。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】断面の一部が矩形の形状をした陰極材料
と、絶縁層が絶縁基板の同一面上に形成され、前記絶縁
層は前記陰極材料の両側、もしくは片側に所定の間隔を
おいて配置し、前記絶縁層の表面には前記陰極材料から
電子を引き出すための制御電極を具備し、かつ、前記陰
極材料のエッジ部と、これに近接した前記制御電極端と
がほぼ平行に構成されていることを特徴とする電子放出
素子。
【請求項２】少なくとも陰極材料は平面的には楔状をし
ている請求項１記載の電子放出素子。
【請求項３】絶縁層は陰極材料の厚さと同等あるいはそ
れ以上の厚みを有する請求項１もしくは２記載の電子放
出素子。
【請求項４】絶縁基板上に所定の形状の陰極材料を形成
し、さらに前記陰極材料面上に陰極材料と異なる材料を
所定の厚さで形成し、その後、絶縁材料膜、金属膜を所
定の厚さで前面に形成し、その後、少なくとも陰極材料
面上の材料を前記絶縁基板上から除去してなる電子放出
素子の製造方法。
【請求項５】絶縁基板上に形成した所定の形状の陰極材
料の全面に、陰極材料と異なる金属を所定の厚さにメッ
キ法により形成した後、絶縁薄膜、金属薄膜を順次所定
の厚さで全面に形成し、その後、少なくとも前記陰極材
料面上の金属を前記絶縁基板上から除去してなる電子放
出素子の製造方法。
【請求項６】所定の幅を有するストライプ状の請求項１
記載の陰極材料を、所定のピッチで少なくとも平行に並
置し、これらと直交するように所定の幅を有した制御電
極を所定のピッチで平行に複数本具備したことを特徴と
するマトリックス電子放出源。
【請求項７】少なくとも陰極材料は、電子を放出する領
域が、ジグザグ形状をしている請求項６記載のマトリッ
クス電子放出源。