JPH0877918A - 電界放出デバイスとその製造方法 - Google Patents
電界放出デバイスとその製造方法Info
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- JPH0877918A JPH0877918A JP24394195A JP24394195A JPH0877918A JP H0877918 A JPH0877918 A JP H0877918A JP 24394195 A JP24394195 A JP 24394195A JP 24394195 A JP24394195 A JP 24394195A JP H0877918 A JPH0877918 A JP H0877918A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
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- H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
-
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- H01J9/025—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes
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- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
- Cathode-Ray Tubes And Fluorescent Screens For Display (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 電界放出デバイスとその製造方法を提供す
る。 【解決手段】 本発明の電界放出デバイスは、絶縁基板
上にエミッタ材料を配置し、犠牲層をエミッタ材料に加
え、犠牲層の上にランダムに分布した開口を有する導電
性ゲート層を形成することにより製造される。本発明の
プロセスにおいては、このゲートは、マスクパーティク
ルを犠牲膜に加え、マスクパーティクルと犠牲膜の上に
導電性膜を加え、そしてマスクパーティクルを除去して
エミッタ材料にランダム的に分布した開口を形成するこ
とにより製造される。犠牲膜はその後除去される。そし
て開口はエミッタ材料を露出する。本発明の実施形態に
おいては、犠牲膜は誘電体スペーサパーティクルを含
み、このパーティクルは膜が除去されても残されてゲー
トとエミッタの隔離を実現する。このように優れた且つ
経済的な多数のランダム分布の開口を有する電界放出デ
バイスが得られ、低コストのフラットパネル型ディスプ
レイに利用できる。
る。 【解決手段】 本発明の電界放出デバイスは、絶縁基板
上にエミッタ材料を配置し、犠牲層をエミッタ材料に加
え、犠牲層の上にランダムに分布した開口を有する導電
性ゲート層を形成することにより製造される。本発明の
プロセスにおいては、このゲートは、マスクパーティク
ルを犠牲膜に加え、マスクパーティクルと犠牲膜の上に
導電性膜を加え、そしてマスクパーティクルを除去して
エミッタ材料にランダム的に分布した開口を形成するこ
とにより製造される。犠牲膜はその後除去される。そし
て開口はエミッタ材料を露出する。本発明の実施形態に
おいては、犠牲膜は誘電体スペーサパーティクルを含
み、このパーティクルは膜が除去されても残されてゲー
トとエミッタの隔離を実現する。このように優れた且つ
経済的な多数のランダム分布の開口を有する電界放出デ
バイスが得られ、低コストのフラットパネル型ディスプ
レイに利用できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電界放出デバイスに
関する。特に、ディスプレイに用いられる廉価な電界放
出デバイスに関する。
関する。特に、ディスプレイに用いられる廉価な電界放
出デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】電界放出デバイスは印加された静電場に
対して電子を放出する。このような素子はディスプレ
イ、電子ガン及び電子ビームリソグラフィを含む広い分
野に応用されている。最も有望な応用としては、アドレ
ス可能なアレイの形態の電界放出デバイスを用いて、フ
ラットパネル型ディスプレイを構成する。これに関して
は、参考文献、例えばC.A. Spindtらの論文(Semiconduc
tor International, p11 IEEE Tansactions on Electro
n Devices, Vol.38(10), pp.2355-2363, December,199
1)及びJ.A. Castellano著のHandbook of Display Techn
ology(Academic Press, New York, pp.254-257, 1992)
を参照のこと。
対して電子を放出する。このような素子はディスプレ
イ、電子ガン及び電子ビームリソグラフィを含む広い分
野に応用されている。最も有望な応用としては、アドレ
ス可能なアレイの形態の電界放出デバイスを用いて、フ
ラットパネル型ディスプレイを構成する。これに関して
は、参考文献、例えばC.A. Spindtらの論文(Semiconduc
tor International, p11 IEEE Tansactions on Electro
n Devices, Vol.38(10), pp.2355-2363, December,199
1)及びJ.A. Castellano著のHandbook of Display Techn
ology(Academic Press, New York, pp.254-257, 1992)
を参照のこと。
【０００３】従来の電子放出フラットパネルディスプレ
イは一般的に、微細な電界エミッタ陰極チップのマトリ
ックスアレイを有する平面真空セルを１つのセルプレー
ト（バックプレート）に、蛍光体被覆の陽極を透明な前
面プレートに、形成することにより構成される。陰極と
陽極の間には「グリッド」または「ゲート」と呼ばれる
導電素子がある。一般的には陰極とゲートは垂直交差の
ストリップであり、その交差がディスプレイのピクセル
を規定する。与えられたピクセルは陰極導体ストリップ
とゲート導体ストリップの交差により構成され、その間
にかけられた電圧により活性化される。より大きな正電
圧が陽極に印加されて、放出される電子に比較的高いエ
ネルギー（約１０００ｅＶ）を与える。これに関して
は、例えば、米国特許第４９４０９１６号、第５１２９
８５０号、第５１３８２３７号、第５２８３５００号を
参照のこと。
イは一般的に、微細な電界エミッタ陰極チップのマトリ
ックスアレイを有する平面真空セルを１つのセルプレー
ト（バックプレート）に、蛍光体被覆の陽極を透明な前
面プレートに、形成することにより構成される。陰極と
陽極の間には「グリッド」または「ゲート」と呼ばれる
導電素子がある。一般的には陰極とゲートは垂直交差の
ストリップであり、その交差がディスプレイのピクセル
を規定する。与えられたピクセルは陰極導体ストリップ
とゲート導体ストリップの交差により構成され、その間
にかけられた電圧により活性化される。より大きな正電
圧が陽極に印加されて、放出される電子に比較的高いエ
ネルギー（約１０００ｅＶ）を与える。これに関して
は、例えば、米国特許第４９４０９１６号、第５１２９
８５０号、第５１３８２３７号、第５２８３５００号を
参照のこと。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来のフラットパネル
型ディスプレイは製造するのが困難で且つコストが高い
という欠点があった。従来の方法では、一般的にゲート
導体はミクロンまたはサブミクロンのオーダーで形成さ
れているので、リソグラフィ工程のコストが高い。前記
課題を解決するために、フラットパネル型ディスプレイ
に低コストで利用可能な電子放出装置を改善する必要が
ある。
型ディスプレイは製造するのが困難で且つコストが高い
という欠点があった。従来の方法では、一般的にゲート
導体はミクロンまたはサブミクロンのオーダーで形成さ
れているので、リソグラフィ工程のコストが高い。前記
課題を解決するために、フラットパネル型ディスプレイ
に低コストで利用可能な電子放出装置を改善する必要が
ある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の電界放出デバイ
スは、絶縁基板上にエミッタ材料を配置し、犠牲層をエ
ミッタ材料に加え、犠牲層の上にランダムに分布した開
口を有する導電性ゲート層を形成することにより製造さ
れる。好ましいプロセスにおいては、このゲートは、マ
スクパーティクルを犠牲膜に加え、マスクパーティクル
と犠牲膜の上に導電性膜を加え、そしてマスクパーティ
クルを除去してエミッタ材料にランダムに分布した開口
を形成することにより製造される。犠牲膜はその後除去
される。そして開口はエミッタ材料を露出する。本発明
の実施形態においては、犠牲膜は誘電体スペーサパーテ
ィクルを含み、このパーティクルは膜が除去されても残
されてゲートとエミッタの隔離を実現する。このように
優れた且つ経済的な多数のランダム分布の開口を有する
電界放出デバイスが得られ、低コストのフラットパネル
型ディスプレイに利用できる。
スは、絶縁基板上にエミッタ材料を配置し、犠牲層をエ
ミッタ材料に加え、犠牲層の上にランダムに分布した開
口を有する導電性ゲート層を形成することにより製造さ
れる。好ましいプロセスにおいては、このゲートは、マ
スクパーティクルを犠牲膜に加え、マスクパーティクル
と犠牲膜の上に導電性膜を加え、そしてマスクパーティ
クルを除去してエミッタ材料にランダムに分布した開口
を形成することにより製造される。犠牲膜はその後除去
される。そして開口はエミッタ材料を露出する。本発明
の実施形態においては、犠牲膜は誘電体スペーサパーテ
ィクルを含み、このパーティクルは膜が除去されても残
されてゲートとエミッタの隔離を実現する。このように
優れた且つ経済的な多数のランダム分布の開口を有する
電界放出デバイスが得られ、低コストのフラットパネル
型ディスプレイに利用できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１には改善された電界放出デバ
イスの製造工程を表す。ブロックＡは第１ステップを表
し、基板を準備する。完成した素子がディスプレイに利
用される場合、基板はガラス、セラミックまたはシリコ
ンのような材料を含む方がよい。これらの材料は真空密
閉構造を形成するために他の材料と結合される。別法と
して、付加のガラスバックプレートが密閉のため基板の
下に配置される。
イスの製造工程を表す。ブロックＡは第１ステップを表
し、基板を準備する。完成した素子がディスプレイに利
用される場合、基板はガラス、セラミックまたはシリコ
ンのような材料を含む方がよい。これらの材料は真空密
閉構造を形成するために他の材料と結合される。別法と
して、付加のガラスバックプレートが密閉のため基板の
下に配置される。
【０００７】図１のブロックＢに示した次のステップで
は、エミッタ材料の層を基板に加える。エミッタ材料は
所望のパターンで加えるのが有利である。エミッタ材料
は、電子の電界誘起放出のため、シャープなピークのよ
うな多数の点を有する導電性または半導体材料である。
このピークは周知のエッチング技術により規定され、ま
たはシャープな放出体をマトリックスに埋めることによ
り得られる。
は、エミッタ材料の層を基板に加える。エミッタ材料は
所望のパターンで加えるのが有利である。エミッタ材料
は、電子の電界誘起放出のため、シャープなピークのよ
うな多数の点を有する導電性または半導体材料である。
このピークは周知のエッチング技術により規定され、ま
たはシャープな放出体をマトリックスに埋めることによ
り得られる。
【０００８】エミッタ材料は割に低い印加電界で電子を
放出できる幾つかの異なる材料から選ばれる。印加電界
は一般的にエミッタ電極とゲート電極間の距離で５０Ｖ
／μｍ以下である。産業的に望ましくはＣＭＯＳ回路素
子が使用されるため、２５Ｖ／μｍ以下が好ましく、さ
らには１５Ｖ／μｍ以下がより好ましい。エミッタに適
した代表的な材料はダイヤモンド（ドープされたまたは
ドープされないＣＶＤ、自然ダイヤモンド砂粒、合成ダ
イヤモンドのいずれか）、グラファイト、Ｍｏ、Ｗ、Ｃ
ｓ等の金属、ＬａＢ6、ＹＢ6、ＡｌＮ等の化合物、また
はこれらの材料の組合せ、及び他の膜状に堆積された低
仕事関数材料を含む。所望のエミッタ形状はシャープチ
ップ形状、ぎざぎざ形状、薄片形状または多面体形状で
あり、シャープなチップに現れる場の集中が低電圧での
電子放出に利用される。各ピクセルに多重の放出点を有
するのが好ましいため、多重のシャープな点または多数
の多面体粒子を有する材料の連続的な膜または層が使用
される。あるｎタイプダイヤモンドのような負または低
電子親和力を有する材料は割に低い印加電圧で電子を容
易に放出するため、場の集中に必要なシャープなチップ
が不要となる。
放出できる幾つかの異なる材料から選ばれる。印加電界
は一般的にエミッタ電極とゲート電極間の距離で５０Ｖ
／μｍ以下である。産業的に望ましくはＣＭＯＳ回路素
子が使用されるため、２５Ｖ／μｍ以下が好ましく、さ
らには１５Ｖ／μｍ以下がより好ましい。エミッタに適
した代表的な材料はダイヤモンド（ドープされたまたは
ドープされないＣＶＤ、自然ダイヤモンド砂粒、合成ダ
イヤモンドのいずれか）、グラファイト、Ｍｏ、Ｗ、Ｃ
ｓ等の金属、ＬａＢ6、ＹＢ6、ＡｌＮ等の化合物、また
はこれらの材料の組合せ、及び他の膜状に堆積された低
仕事関数材料を含む。所望のエミッタ形状はシャープチ
ップ形状、ぎざぎざ形状、薄片形状または多面体形状で
あり、シャープなチップに現れる場の集中が低電圧での
電子放出に利用される。各ピクセルに多重の放出点を有
するのが好ましいため、多重のシャープな点または多数
の多面体粒子を有する材料の連続的な膜または層が使用
される。あるｎタイプダイヤモンドのような負または低
電子親和力を有する材料は割に低い印加電圧で電子を容
易に放出するため、場の集中に必要なシャープなチップ
が不要となる。
【０００９】好ましくはエミッタ材料自身が導電性であ
る。その製造はエミッタ体内に導電性スラリーまたは銀
−エポキシのようなペースト、低融点ハンダ、または導
電性金属粒子の混合物を混合することにより行われる。
低融点ガラスの粒子が添加されて、熱誘起粘着力を促進
する。また酸化銅のような還元しやすい酸化物の粒子が
添加されることにより、水素処理により還元されて、ガ
ラスが導電性となる。導電性粒子の体積はろ過限度を超
える必要があり、３０％以上、望ましくは４５％であ
る。
る。その製造はエミッタ体内に導電性スラリーまたは銀
−エポキシのようなペースト、低融点ハンダ、または導
電性金属粒子の混合物を混合することにより行われる。
低融点ガラスの粒子が添加されて、熱誘起粘着力を促進
する。また酸化銅のような還元しやすい酸化物の粒子が
添加されることにより、水素処理により還元されて、ガ
ラスが導電性となる。導電性粒子の体積はろ過限度を超
える必要があり、３０％以上、望ましくは４５％であ
る。
【００１０】好ましい方法として、エミッタ材料の層が
所望のパターンを有するよう基板に適用される。パター
ン付きエミッタ層の形成には、スクリーンプリントまた
はマスクを使用したスプレー被覆の方法によって、エミ
ッタ材料の導電性ペーストを適用する。一般的に所望の
パターンは平行なスプリットの集合である。エミッタ材
料の層が形成された後、層は乾燥され、ベークされ、ま
た必要であれば水素またはフォーミングガス熱処理を施
して導電性を強化する。別法として、この層は連続的な
層としてつけ加えられ、パターン形成が必要な場合、従
来のフォトリソグラフィ技術により形成される。
所望のパターンを有するよう基板に適用される。パター
ン付きエミッタ層の形成には、スクリーンプリントまた
はマスクを使用したスプレー被覆の方法によって、エミ
ッタ材料の導電性ペーストを適用する。一般的に所望の
パターンは平行なスプリットの集合である。エミッタ材
料の層が形成された後、層は乾燥され、ベークされ、ま
た必要であれば水素またはフォーミングガス熱処理を施
して導電性を強化する。別法として、この層は連続的な
層としてつけ加えられ、パターン形成が必要な場合、従
来のフォトリソグラフィ技術により形成される。
【００１１】別法として、エミッタパーティクルはパタ
ーン付きの導電性材料に分布して、化学反応により導電
性材料と強いボンドを形成する。代表例としては、スト
リップ形状のチタン電極は堆積され、そして、グラファ
イトがこの表面にわたって振り巻く。そして基板が還元
性雰囲気に枯れ焼きされると、グラファイトはストリッ
プに強くしぼられる。
ーン付きの導電性材料に分布して、化学反応により導電
性材料と強いボンドを形成する。代表例としては、スト
リップ形状のチタン電極は堆積され、そして、グラファ
イトがこの表面にわたって振り巻く。そして基板が還元
性雰囲気に枯れ焼きされると、グラファイトはストリッ
プに強くしぼられる。
【００１２】図１のブロックＣに示す第３ステップで
は、犠牲層、例えば、パリメチル・メタアクリレート
（ＰＭＭＡ）及び適切な溶媒をエミッタ材料に加える。
このように得られた構造は図１に示し、基板１０、エミ
ッタ層１１、誘電体スペーサパーティクル１３を含む犠
牲層１２を有する。膜１２は堆積されて、乾燥後パーテ
ィクル１３のサイズは一般的にＰＭＭＡ平均厚より若干
大きい。一般的には、完成後の膜に含まれるパーティク
ルの体積比は０．５％−５０％であり、好ましくは２−
２０％である。１２に適した別の材料としては、水溶解
ポリマー及び可溶性無機塩を含む。この膜１２は非常に
少量のパーティクル（一般的にスペーサパーティクルの
サイズの１０％以下）を含んでもよい。このようにし
て、他の素子構造に損傷を与えずに物理的、または化学
的の方法により犠牲膜を除去することが可能となる。も
し、ゲートが十分に狭いならば、スペーサパーティクル
は不必要となる。
は、犠牲層、例えば、パリメチル・メタアクリレート
（ＰＭＭＡ）及び適切な溶媒をエミッタ材料に加える。
このように得られた構造は図１に示し、基板１０、エミ
ッタ層１１、誘電体スペーサパーティクル１３を含む犠
牲層１２を有する。膜１２は堆積されて、乾燥後パーテ
ィクル１３のサイズは一般的にＰＭＭＡ平均厚より若干
大きい。一般的には、完成後の膜に含まれるパーティク
ルの体積比は０．５％−５０％であり、好ましくは２−
２０％である。１２に適した別の材料としては、水溶解
ポリマー及び可溶性無機塩を含む。この膜１２は非常に
少量のパーティクル（一般的にスペーサパーティクルの
サイズの１０％以下）を含んでもよい。このようにし
て、他の素子構造に損傷を与えずに物理的、または化学
的の方法により犠牲膜を除去することが可能となる。も
し、ゲートが十分に狭いならば、スペーサパーティクル
は不必要となる。
【００１３】次のステップでは、ランダムに分布した開
口を有する導電性ゲート層を犠牲層の上に形成する。本
発明の方法は図１のブロックＤに示す。マスクパーティ
クルは孔の開いたゲート構造を形成するために犠牲層の
上に加えられる。図３は犠牲層１２に配置されたマスク
パーティクル３０を有する構造を示す。マスクパーティ
クル３０は金属（例、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｎｉ）、セラ
ミック（例、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＮｉＯ、ＢＮ）、ポリ
マー（例、ラテックス球）及び複合材料のような材料か
ら選択される。一般的に所望のパーティクルサイズは
０．１−１００μｍで、好ましくは０．２−５μｍであ
る。パーティクルは球状またはランダムの形状でもよ
い。パーティクルはスプレー被覆、スピン被覆または散
布のような従来の粒子技術により犠牲層１２の表面につ
け加えられる。パーティクルは、スプレー被覆のために
アセトンまたはアルコールのような揮発性溶媒と混合し
て、犠牲層表面への粘着力を改善する。
口を有する導電性ゲート層を犠牲層の上に形成する。本
発明の方法は図１のブロックＤに示す。マスクパーティ
クルは孔の開いたゲート構造を形成するために犠牲層の
上に加えられる。図３は犠牲層１２に配置されたマスク
パーティクル３０を有する構造を示す。マスクパーティ
クル３０は金属（例、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｎｉ）、セラ
ミック（例、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＮｉＯ、ＢＮ）、ポリ
マー（例、ラテックス球）及び複合材料のような材料か
ら選択される。一般的に所望のパーティクルサイズは
０．１−１００μｍで、好ましくは０．２−５μｍであ
る。パーティクルは球状またはランダムの形状でもよ
い。パーティクルはスプレー被覆、スピン被覆または散
布のような従来の粒子技術により犠牲層１２の表面につ
け加えられる。パーティクルは、スプレー被覆のために
アセトンまたはアルコールのような揮発性溶媒と混合し
て、犠牲層表面への粘着力を改善する。
【００１４】静電的にパーティクルを堆積することは有
利な技術の１つである。パーティクルは高電圧のもとで
ノズルからドライスプレーされる。パーティクルがノズ
ルを離れると、電気がチャージされて、相互をはねつ
け、犠牲層１２に引き付けられる。マスクパーティクル
の相反作用により、パーティクルが層１２内により均一
に分布し、ろ過制限を超えることなく高密度が得られ
る。それ故にゲートの非導電性が得られる。誘電体マス
クパーティクルを使用することが特に有益である。それ
は、パーティクルが層１２に入れ込んでも、その上にチ
ャージされた電気が残り、入り込んだパーティクルの密
度が低減するからである。
利な技術の１つである。パーティクルは高電圧のもとで
ノズルからドライスプレーされる。パーティクルがノズ
ルを離れると、電気がチャージされて、相互をはねつ
け、犠牲層１２に引き付けられる。マスクパーティクル
の相反作用により、パーティクルが層１２内により均一
に分布し、ろ過制限を超えることなく高密度が得られ
る。それ故にゲートの非導電性が得られる。誘電体マス
クパーティクルを使用することが特に有益である。それ
は、パーティクルが層１２に入れ込んでも、その上にチ
ャージされた電気が残り、入り込んだパーティクルの密
度が低減するからである。
【００１５】第５ステップ（ブロックＥ）では、導電性
材料の膜が犠牲層に加えられて、ゲート導体として機能
する。ゲート導体材料は一般的にＣｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎ
ｂ、Ｍｏ、Ｗのような金属及びその合金から選択される
が、導電性のよい非金属化合物、例えば、酸化物（例、
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｌａ−Ｃａ−Ｍｎ−Ｏ）、窒化
物、炭化物などの使用も可能である。ゲート導体の所望
の厚さは０．０５−１０μｍであり、好ましくは０．２
−５μｍである。マスクパーティクル３０はその下にあ
る犠牲層１２の電界を保護する。ゲート導体膜は電子放
出層のストリップに垂直なストリップパターンに形成さ
れた方がよい。エミッタ層のストリップとゲート導体層
のストリップとの間の横断領域はアドレス可能な電子ソ
ースのアレイを形成する。
材料の膜が犠牲層に加えられて、ゲート導体として機能
する。ゲート導体材料は一般的にＣｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎ
ｂ、Ｍｏ、Ｗのような金属及びその合金から選択される
が、導電性のよい非金属化合物、例えば、酸化物（例、
Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｌａ−Ｃａ−Ｍｎ−Ｏ）、窒化
物、炭化物などの使用も可能である。ゲート導体の所望
の厚さは０．０５−１０μｍであり、好ましくは０．２
−５μｍである。マスクパーティクル３０はその下にあ
る犠牲層１２の電界を保護する。ゲート導体膜は電子放
出層のストリップに垂直なストリップパターンに形成さ
れた方がよい。エミッタ層のストリップとゲート導体層
のストリップとの間の横断領域はアドレス可能な電子ソ
ースのアレイを形成する。
【００１６】次のステップ（ブロックＦ）においては、
マスクパーティクルを除去して、下にある犠牲層１２を
露出する。マスクパーティクルは、画家のペイントブラ
シのようなブラシで除去されて、パーティクル下の犠牲
層が露出される。磁性を有するマスクパーティクルが使
用される場合、磁気で引き上げることによって除去する
ことも可能である。図４には露出した開口部４０を有す
る導電性層４１を有する構造を示す。マスクパーティク
ルがランダムに分布しているため、このように得られた
ゲート開口４０も、フォトリソグラフィで形成された周
期的に分布したゲート開口とは異なり、ランダムに分布
する。ゲート開口の所望のサイズは０．１−５０μｍで
あり、好ましくは０．２−５μｍの直径である。ろ過し
きい値以下を保持し、ゲートが連続状態を保持できるた
め、所望の開口の比率は少なくとも５％であり、好まし
くは少なくとも２０％である。ピクセル当たりのゲート
開口の数が大きくなるのはディスプレイ均質性にとって
好ましいことである。開口の数は少なくともピクセル当
たりに５０個であり、好ましくは２００個である。
マスクパーティクルを除去して、下にある犠牲層１２を
露出する。マスクパーティクルは、画家のペイントブラ
シのようなブラシで除去されて、パーティクル下の犠牲
層が露出される。磁性を有するマスクパーティクルが使
用される場合、磁気で引き上げることによって除去する
ことも可能である。図４には露出した開口部４０を有す
る導電性層４１を有する構造を示す。マスクパーティク
ルがランダムに分布しているため、このように得られた
ゲート開口４０も、フォトリソグラフィで形成された周
期的に分布したゲート開口とは異なり、ランダムに分布
する。ゲート開口の所望のサイズは０．１−５０μｍで
あり、好ましくは０．２−５μｍの直径である。ろ過し
きい値以下を保持し、ゲートが連続状態を保持できるた
め、所望の開口の比率は少なくとも５％であり、好まし
くは少なくとも２０％である。ピクセル当たりのゲート
開口の数が大きくなるのはディスプレイ均質性にとって
好ましいことである。開口の数は少なくともピクセル当
たりに５０個であり、好ましくは２００個である。
【００１７】図５には別法により形成されたステップＦ
の後の構造を示す。そこでは、エミッタ層１１が非連続
（または非導電性）で、エミッタポイントに電流を提供
するために導電層５０の上に加えられる。この導電層
は、エミッタ層１１が形成される前に基板１０に形成さ
れる。非連続のエミッタパーティクルはＣＶＤのような
薄膜プロセス、またはダイヤモンドやグラファイトのよ
うな電子放出パーティクルをスクリーンプリントする
か、スプレーするかによって準備される。
の後の構造を示す。そこでは、エミッタ層１１が非連続
（または非導電性）で、エミッタポイントに電流を提供
するために導電層５０の上に加えられる。この導電層
は、エミッタ層１１が形成される前に基板１０に形成さ
れる。非連続のエミッタパーティクルはＣＶＤのような
薄膜プロセス、またはダイヤモンドやグラファイトのよ
うな電子放出パーティクルをスクリーンプリントする
か、スプレーするかによって準備される。
【００１８】次のステップは図１のブロックＧに示さ
れ、犠牲層１２は除去される。誘電体スペーサパーティ
クル１３が用いられた場合、犠牲層はこのスペーサパー
ティクルに影響を与えずに除去されなければならない。
本発明の実施形態においては、ＰＭＭＡは不活性雰囲気
で約３００℃に加熱されて、分解されて蒸発する。他の
犠牲層は他の処理技術を必要とし、例えば、水に溶解す
るような処理が必要である。
れ、犠牲層１２は除去される。誘電体スペーサパーティ
クル１３が用いられた場合、犠牲層はこのスペーサパー
ティクルに影響を与えずに除去されなければならない。
本発明の実施形態においては、ＰＭＭＡは不活性雰囲気
で約３００℃に加熱されて、分解されて蒸発する。他の
犠牲層は他の処理技術を必要とし、例えば、水に溶解す
るような処理が必要である。
【００１９】図６と７には、４５００倍率でとったマス
クされた構造の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示
す。細かいアルミニウムパーティクルがアセトンととも
に混合され、ガラス基板にスプレー被覆され、溶媒は乾
燥によって揮発した。そして、マスクパーティクルで部
分的に被覆されたガラス基板にはＣｕソースを用いた熱
蒸着方法により１μｍ厚のＣｕ膜が被覆される。図６に
はこのＣｕ膜を堆積した後のマスクパーティクルを有す
る基板のＳＥＭ写真を示す。シャドウエフェクトのた
め、マスクパーティクルの下にある基板面が導体により
被覆されていない。図７にはペイントブラシで丁寧にパ
ーティクルを払いのけた後、ランダムに分布した開口
（２−４μｍ）のみが残られた状態を示す。このような
微細寸法の孔の開いた金属層は多重チャネルゲート構造
として適当である。このようにして、ミクロンオーダー
の開いた孔を有するゲート構造を、コストのかかるフォ
トリソグラフィプロセスを使用せずに製造することがで
きる。
クされた構造の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示
す。細かいアルミニウムパーティクルがアセトンととも
に混合され、ガラス基板にスプレー被覆され、溶媒は乾
燥によって揮発した。そして、マスクパーティクルで部
分的に被覆されたガラス基板にはＣｕソースを用いた熱
蒸着方法により１μｍ厚のＣｕ膜が被覆される。図６に
はこのＣｕ膜を堆積した後のマスクパーティクルを有す
る基板のＳＥＭ写真を示す。シャドウエフェクトのた
め、マスクパーティクルの下にある基板面が導体により
被覆されていない。図７にはペイントブラシで丁寧にパ
ーティクルを払いのけた後、ランダムに分布した開口
（２−４μｍ）のみが残られた状態を示す。このような
微細寸法の孔の開いた金属層は多重チャネルゲート構造
として適当である。このようにして、ミクロンオーダー
の開いた孔を有するゲート構造を、コストのかかるフォ
トリソグラフィプロセスを使用せずに製造することがで
きる。
【００２０】ディスプレイ応用においては、ディスプレ
イの各ピクセルにあるエミッタ材料（冷陰極）はとりわ
けディスプレイ品質の平均値及び均一性を得るためには
多重の電子エミッタポイントを含むことが望まれる。低
い印加電圧における有効な電子放出が一般的に近接した
（通常ミクロンオーダーの距離）加速ゲート電極により
得られるので、最大限に多重電子放出ソースを使用する
ために与えられたエミッタ体上では多重のゲート開口を
有する方がよい。例えば、電界放出デバイスにおける各
ピクセル平方（１００μｍ）には数千個のグラファイト
薄片を含む。最大限の放出効率を得るために、できるだ
け多くのゲート開口を有するミクロンサイズの微細なゲ
ート構造が好ましい。このゲート開口はエミッタ−ゲー
ト間隔とほぼ等しい直径を有することが好ましい。
イの各ピクセルにあるエミッタ材料（冷陰極）はとりわ
けディスプレイ品質の平均値及び均一性を得るためには
多重の電子エミッタポイントを含むことが望まれる。低
い印加電圧における有効な電子放出が一般的に近接した
（通常ミクロンオーダーの距離）加速ゲート電極により
得られるので、最大限に多重電子放出ソースを使用する
ために与えられたエミッタ体上では多重のゲート開口を
有する方がよい。例えば、電界放出デバイスにおける各
ピクセル平方（１００μｍ）には数千個のグラファイト
薄片を含む。最大限の放出効率を得るために、できるだ
け多くのゲート開口を有するミクロンサイズの微細なゲ
ート構造が好ましい。このゲート開口はエミッタ−ゲー
ト間隔とほぼ等しい直径を有することが好ましい。
【００２１】最後のステップ（図１のブロックＨ）で
は、従来の方法により電子電界放出デバイスの製造を完
成させる。一般的にはこのステップにおいては陽極を形
成し、真空封止内においてこの陽極を冷陰極エミッタ材
料と一定距離離間して配置する。フラットパネル型ディ
スプレイの場合、最終のプロセスは図８に示すように図
１のプロセスで用意された素子を用いたフラットパネル
型ディスプレイの構造の製造を含む。
は、従来の方法により電子電界放出デバイスの製造を完
成させる。一般的にはこのステップにおいては陽極を形
成し、真空封止内においてこの陽極を冷陰極エミッタ材
料と一定距離離間して配置する。フラットパネル型ディ
スプレイの場合、最終のプロセスは図８に示すように図
１のプロセスで用意された素子を用いたフラットパネル
型ディスプレイの構造の製造を含む。
【００２２】特に、透明絶縁基板８１の上に形成された
陽極導体８０は蛍光体層８２とともに提供されて、図４
の素子または図５の素子（それぞれの犠牲層を除去した
後）と隔離するよう保持柱８３の上に搭載される。陽極
とエミッタとの間隔は真空封止されて、電圧が電力供給
８４によりかけられる。活性化された冷陰極電子エミッ
タ１１から電界放出した電子は各ピクセル上の多重開口
４０から孔の開いたゲート電極４１により加速されて、
陽極基板８１（ガラス面板の方がよい）上にコートした
陽極導体層８０（一般的にインジウム−スズ−酸化物の
ような透明導体）に向かって移動する。蛍光体層８２は
電子エミッタ装置と陽極の間に配置される。加速された
電子が蛍光体に衝突すると、ディスプレイイメージが形
成される。この蛍光体層８２は周知のＴＶスクリーン技
術を用いることにより陽極導体８０に配置される。
陽極導体８０は蛍光体層８２とともに提供されて、図４
の素子または図５の素子（それぞれの犠牲層を除去した
後）と隔離するよう保持柱８３の上に搭載される。陽極
とエミッタとの間隔は真空封止されて、電圧が電力供給
８４によりかけられる。活性化された冷陰極電子エミッ
タ１１から電界放出した電子は各ピクセル上の多重開口
４０から孔の開いたゲート電極４１により加速されて、
陽極基板８１（ガラス面板の方がよい）上にコートした
陽極導体層８０（一般的にインジウム−スズ−酸化物の
ような透明導体）に向かって移動する。蛍光体層８２は
電子エミッタ装置と陽極の間に配置される。加速された
電子が蛍光体に衝突すると、ディスプレイイメージが形
成される。この蛍光体層８２は周知のＴＶスクリーン技
術を用いることにより陽極導体８０に配置される。
【００２３】図９には図８の素子におけるｘ−ｙマトリ
ックスディスプレイを形成するためのエミッタアレイの
列９０とゲート導体アレイの行９１を示す。これらの行
と列は低コストのエミッタ材料のスクリーンプリント
（例、１００μｍの幅を用いて）、及び１００μｍの幅
の平行なギャップを有するストリップ状の金属マスクに
よるゲート導体の物理蒸着（ＰＶＤ）により提供され
る。ゲートの特定の行とエミッタの特定の列の活性電圧
により、指定のピクセルが選択的に活性化されて、電子
を放出してピクセル上の蛍光体ディスプレイスクリーン
を活性化する。
ックスディスプレイを形成するためのエミッタアレイの
列９０とゲート導体アレイの行９１を示す。これらの行
と列は低コストのエミッタ材料のスクリーンプリント
（例、１００μｍの幅を用いて）、及び１００μｍの幅
の平行なギャップを有するストリップ状の金属マスクに
よるゲート導体の物理蒸着（ＰＶＤ）により提供され
る。ゲートの特定の行とエミッタの特定の列の活性電圧
により、指定のピクセルが選択的に活性化されて、電子
を放出してピクセル上の蛍光体ディスプレイスクリーン
を活性化する。
【００２４】微細ラインのリソグラフィを不要とするこ
とにより、図１のパーティクルマスク技術はプロセスの
単純化の外に、コストの低減及び環境消耗の減少が図ら
れ、エミッタの高さまたは幅の実際の変動によらず誘電
体とゲート導体膜の同等な堆積の提供に有利である。例
えば、エミッタ体はダイヤモンドパーティクル（例、電
界放出）、金属または導電性パーティクル、ガラス原料
（ガラスバックプレーンに粘着するために部分または完
全に溶融するため）、有機バインダ（スクリーンプリン
ト中に粘性を制御するため）及び溶媒（バインダを溶解
するため）の混合体を用いて、低コストのスクリーンプ
リントまたはスプレーコーティングプロセスにより構築
できる。スクリーンプリントで硬化したエミッタストリ
ップは５０μｍの高さと１００μｍの幅を有すれば、例
えば高さの変動は少なくとも１−５μｍにあると予期さ
れる。１μｍまたはこれ以下のゲート−エミッタ間の距
離が必要である場合、ゲート構造が同等に且つ１μｍオ
ーダーの距離になるよう製造されなければ、このような
高さの変動は製品の信頼性にとって認められない。
とにより、図１のパーティクルマスク技術はプロセスの
単純化の外に、コストの低減及び環境消耗の減少が図ら
れ、エミッタの高さまたは幅の実際の変動によらず誘電
体とゲート導体膜の同等な堆積の提供に有利である。例
えば、エミッタ体はダイヤモンドパーティクル（例、電
界放出）、金属または導電性パーティクル、ガラス原料
（ガラスバックプレーンに粘着するために部分または完
全に溶融するため）、有機バインダ（スクリーンプリン
ト中に粘性を制御するため）及び溶媒（バインダを溶解
するため）の混合体を用いて、低コストのスクリーンプ
リントまたはスプレーコーティングプロセスにより構築
できる。スクリーンプリントで硬化したエミッタストリ
ップは５０μｍの高さと１００μｍの幅を有すれば、例
えば高さの変動は少なくとも１−５μｍにあると予期さ
れる。１μｍまたはこれ以下のゲート−エミッタ間の距
離が必要である場合、ゲート構造が同等に且つ１μｍオ
ーダーの距離になるよう製造されなければ、このような
高さの変動は製品の信頼性にとって認められない。
【００２５】前述したミクロンオーダーの孔の開いたゲ
ート構造を製造するプロセスは単なる処理プロセス、構
造及び構成の一つの例である。例えば、犠牲膜及びゲー
ト導体膜の堆積は一回以上繰り返されることにより、放
出された電子ビームの飛翔経路の成形及び三極管動作の
ために多層ゲート構造を作ることができる。また、一つ
の例として、ゲート導体膜が形成された後でもマスクパ
ーティクルをつけ加えることも可能であり、そしてエッ
チング阻止マスク材料（酸に耐える重合体または無機物
の材料）は蒸着またはスプレーコーティングによりマス
クパーティクル上に堆積され、そしてマスクパーティク
ルはブラシで除去される。エッチング阻止マスク層によ
り被覆されない領域はエッチングされる。例えば、Ｃｒ
などの金属ゲート導体膜は硝酸でもってエッチングされ
て、ゲート開口を形成し、そして犠牲誘電体はフッ化水
素酸及び／または他の物理技術によりエッチングされ
て、下敷きのエミッタ材料を露出する。その後、エッチ
ング阻止マスクは溶媒または熱脱離により除去される。
ート構造を製造するプロセスは単なる処理プロセス、構
造及び構成の一つの例である。例えば、犠牲膜及びゲー
ト導体膜の堆積は一回以上繰り返されることにより、放
出された電子ビームの飛翔経路の成形及び三極管動作の
ために多層ゲート構造を作ることができる。また、一つ
の例として、ゲート導体膜が形成された後でもマスクパ
ーティクルをつけ加えることも可能であり、そしてエッ
チング阻止マスク材料（酸に耐える重合体または無機物
の材料）は蒸着またはスプレーコーティングによりマス
クパーティクル上に堆積され、そしてマスクパーティク
ルはブラシで除去される。エッチング阻止マスク層によ
り被覆されない領域はエッチングされる。例えば、Ｃｒ
などの金属ゲート導体膜は硝酸でもってエッチングされ
て、ゲート開口を形成し、そして犠牲誘電体はフッ化水
素酸及び／または他の物理技術によりエッチングされ
て、下敷きのエミッタ材料を露出する。その後、エッチ
ング阻止マスクは溶媒または熱脱離により除去される。
【００２６】このような装置はフラットパネルディスプ
レイ、電子ビームガン、マイクロ波パワー増幅器チュー
ブ、イオンソース及び電子リソグラフィに用いられる電
子のマトリックスアドレス可能なソースとしての様々な
素子に利用される。これに関してはP.W.Hawkesの論文"A
dvances in Electronics and Electron Physics"(Acade
mic Press, New York, Vol.83, pp.75-85 and p.107,19
92)に開示されている。後者の素子においては、選択さ
れた行と列の活性化により、指定されたピクセルから電
子の放出が提供されて、超高集積度の回路のパターンの
形成のため、電子敏感のリソグラフィレジスト材料（例
えば、ポリメチル・メタアクリレート（ＰＭＭＡ））の
選択エッチングが実現される。この装置の特性は従来の
電子ビームリソグラフィ装置より優れている。従来の電
子ビームリソグラフィ装置は一般的にスキャンプロセス
によりパターン書きを行い、S.M.Szeが文献"VLSI Techn
ology"(McGraw Hill, New York, 1988, p.155 and p.16
5)に述べられたように生産性が非常に低下である。
レイ、電子ビームガン、マイクロ波パワー増幅器チュー
ブ、イオンソース及び電子リソグラフィに用いられる電
子のマトリックスアドレス可能なソースとしての様々な
素子に利用される。これに関してはP.W.Hawkesの論文"A
dvances in Electronics and Electron Physics"(Acade
mic Press, New York, Vol.83, pp.75-85 and p.107,19
92)に開示されている。後者の素子においては、選択さ
れた行と列の活性化により、指定されたピクセルから電
子の放出が提供されて、超高集積度の回路のパターンの
形成のため、電子敏感のリソグラフィレジスト材料（例
えば、ポリメチル・メタアクリレート（ＰＭＭＡ））の
選択エッチングが実現される。この装置の特性は従来の
電子ビームリソグラフィ装置より優れている。従来の電
子ビームリソグラフィ装置は一般的にスキャンプロセス
によりパターン書きを行い、S.M.Szeが文献"VLSI Techn
ology"(McGraw Hill, New York, 1988, p.155 and p.16
5)に述べられたように生産性が非常に低下である。
【００２７】マトリックスアドレス可能なイオンソース
装置としては、活性化されたピクセル領域から電子を放
出して、雰囲気ガスを衝突することにより、ガスをイオ
ン化させる。
装置としては、活性化されたピクセル領域から電子を放
出して、雰囲気ガスを衝突することにより、ガスをイオ
ン化させる。
【００２８】以上述べたように、本発明の方法により形
成された多量のランダムに分布した放出開口を用いるこ
とにより、フラットパネル型ディスプレイの製造コスト
が低減できた。
成された多量のランダムに分布した放出開口を用いるこ
とにより、フラットパネル型ディスプレイの製造コスト
が低減できた。
【図１】電界放出デバイスの製造に関わる改善されたプ
ロセスの工程図を表す図。
ロセスの工程図を表す図。
【図２】製造段階における電界放出デバイスの断面図を
表す図。
表す図。
【図３】製造段階における電界放出デバイスの断面図を
表す図。
表す図。
【図４】製造段階における電界放出デバイスの断面図を
表す図。
表す図。
【図５】図４の構造の別の実施形態を表す図。
【図６】図１のプロセスに用いられたパーティクルのマ
スク効果を表す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真。
スク効果を表す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真。
【図７】図１のプロセスに用いられたパーティクルのマ
スク効果を表す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真。
スク効果を表す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真。
【図８】図１のプロセスにより製造された電界放出デバ
イスを用いたフラットパネル型ディスプレイの断面図。
イスを用いたフラットパネル型ディスプレイの断面図。
【図９】図８のディスプレイに使用された電界放出デバ
イスの上面図。
イスの上面図。
１０ 基板 １１ エミッタ層 １２ 犠牲層 １３ 誘電体スペーサパーティクル ３０ マスクパーティクル ４０ ゲート開口 ４１ 導電層 ５０ 導電層 ８０ 陽極導体 ８１ 透明絶縁基板 ８２ 蛍光体層 ８３ 保持柱 ８４ 電力供給 ９０ エミッタアレイの列 ９１ ゲート導体アレイの行
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｊ 31/12 Ｂ 31/15 Ｃ (72)発明者 グレゴリー ピーター コチャンスキー アメリカ合衆国，08812 ニュージャージ ー，デュネレン，サード ストリート 324 (72)発明者 ジョン トムソン，ジュニア. アメリカ合衆国，07762 ニュージャージ ー，スプリング レイク，ニュー ベッド フォード ロード 2039
Claims (20)
- 【請求項１】 （Ａ）基板の上に電子エミッタ材料層を
加えるステップと、 （Ｂ）前記エミッタ材料に犠牲層を加えるステップと、 （Ｃ）前記犠牲層の上にランダムに分布した開口を有す
る導電性ゲート層を形成するステップと、 （Ｄ）前記犠牲層を除去し、前記導電性層と前記エミッ
タ材料層との間に間隔を提供するステップと、 （Ｅ）電界放出デバイスを完成するステップとからなる
ことを特徴とする電界放出デバイスの製造方法。 - 【請求項２】 前記ステップ（Ｃ）は前記犠牲層にマス
クパーティクルを加えるステップと、前記マスクパーテ
ィクルと前記犠牲層の上に導電性材料層を加えるステッ
プと、マスクパーティクルを除去しその下に形成される
導電性層上の開口を露出させるステップと含むことを特
徴とする請求項１の製造方法。 - 【請求項３】 前記犠牲層は、誘電体スペーサパーティ
クルを含むことを特徴とする請求項１または２の製造方
法。 - 【請求項４】 前記犠牲層は、０．１−２μｍ範囲の直
径の誘電体スペーサパーティクルを多く含むことを特徴
とする請求項１または２の製造方法。 - 【請求項５】 前記マスクパーティクルは、静電的に加
えられることを特徴とする請求項２の製造方法。 - 【請求項６】 前記マスクパーティクルは、０．１−１
００μｍの範囲のパーティクルサイズを有することを特
徴とする請求項２の製造方法。 - 【請求項７】 前記マスクパーティクルはブラシで除去
されることを特徴とする請求項２の製造方法。 - 【請求項８】 前記マスクパーティクルは磁性であり、
磁気引き上げにより除去されることを特徴とする請求項
２の製造方法。 - 【請求項９】 前記犠牲層は加熱により除去されること
を特徴とする請求項１または２の製造方法。 - 【請求項１０】 前記電子エミッタ材料層をパターン化
するステップと、前記導電性材料層をパターン化するス
テップとを含むことを特徴とする請求項１または２の製
造方法。 - 【請求項１１】 電子エミッタ材料層を保持する基板
と、 電気的に前記電子エミッタ材料層に接触する手段と、 前記電子エミッタ材料の上にあり、複数の誘電体スペー
サパーティクルにより前記電子エミッタ材料から離間し
た導電性層とからなり、前記導電性層は前記電子エミッ
タ材料にランダムに分布した開口を含むことを特徴とす
る電界放出デバイス。 - 【請求項１２】 前記誘電体スペーサパーティクルは、
０．１−２μｍの範囲のサイズを多く有することを特徴
とする請求項１１の電界放出デバイス。 - 【請求項１３】 前記導体層は０．２−５μｍの範囲の
厚さを有することを特徴とする請求項１１の電界放出デ
バイス。 - 【請求項１４】 前記開口は導電性層の少なくとも５％
の開口比率を形成し、かつろ過しきい値以下に維持され
ることを特徴とする請求項１１の電界放出デバイス。 - 【請求項１５】 前記電子エミッタ材料はダイヤモン
ド、グラファイト、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｓ、ＬａＢ6、ＹＢ6、
ＡＩＮからなるグループから選択されることを特徴とす
る請求項１１の電界放出デバイス。 - 【請求項１６】 前記電子エミッタ材料層及び前記導電
性材料層は複数のアドレス可能な交差電界を規定するた
めにパターン化されることを特徴とする請求項１１の電
界放出デバイス。 - 【請求項１７】 請求項１１、請求項１２、請求項１
３、請求項１４、請求項１５、請求項１６のいずれかに
記載された電界放出デバイスを含むことを特徴とするデ
ィスプレイ装置。 - 【請求項１８】 セルのバックプレート上に電界エミッ
タ陰極のアレイと透明な前面プレートに蛍光体被覆の陽
極とを有し、一つまたはそれ以上の導電性ゲート層が前
記陽極と前記陰極の間に配置され、前記陰極とゲートは
ディスプレイのピクセルを規定するためにパターン化さ
れた、真空セルを含むタイプのフラットパネル型ディス
プレイ装置において、 前記ゲート層は複数の誘電体パーティクルにより前記電
界エミッタ陰極から離間され、前記電界エミッタ陰極に
開口を提供するために、前記ゲート層はランダムに分布
した直径０．１−５０μｍの孔を多く含むことを特徴と
する改善されたフラットパネル型ディスプレイ。 - 【請求項１９】 ピクセルを規定するゲート層の部分は
直径０．１−５０μｍの範囲に少なくとも５０個のラン
ダム孔を有することを特徴とする請求項１８の改善され
たフラットパネル型ディスプレイ。 - 【請求項２０】 請求項１のプロセスにより製造される
電界放出デバイス。
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