JP3774463B2

JP3774463B2 - 横型の電界放出型冷陰極装置

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Publication number: JP3774463B2
Application number: JP2004061887A
Authority: JP
Inventors: 正幸中本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: JP2004158470A

Description

本発明は横型の電界放出型冷陰極装置に関する。

近年、Ｓｉ半導体加工技術を利用した電界放出型冷陰極装置の開発が、活発に行なわれている。その代表的な例としては、スピント（C. A. Spindt）等により提案された縦型の電界放出型冷陰極装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この電界放出型冷陰極装置は、Ｓｉ単結晶基板上に円錐状のエミッタと、エミッタの先端部を包囲するように配設されたゲート電極とを有する。

これに対して、縦型の電界放出型冷陰極装置の問題点に鑑み、グリーン（R. Green）及びグレイ（H. F. Gray）等により提案された横型の電界放出型冷陰極装置も知られている（例えば、非特許文献２参照）。この電界放出型冷陰極装置は、同一基板上に相対するように配設されたエミッタとゲート電極とを有する。横型の電界放出型冷陰極装置は、製造が容易で、歩留まりが高くなるという利点を有する。

横型の電界放出型冷陰極装置の場合、ゲート電極に対向するエミッタ端面は、基板面に対して直角な方向において、エミッタ膜厚相当の８０〜５００ｎｍ程度の先鋭度、先端曲率半径として４０〜２５０ｎｍ相当の先鋭度を有する。しかし、同エミッタ端面は、基板面に対して平行な方向において、ゲート電極と平行であり先鋭度はゼロである。即ち、ゲート電極に対向するエミッタ端面は、３次元ではなく２次元的な先鋭度しかなく、駆動電圧が高いという欠点がある。エミッタ端面を３次元的に先鋭化させようとしても、リソグラフィ以上の先鋭度は得ることができず、通常、基板面に対して平行な方向において、５０〜１００ｎｍ程度の先鋭度に留まる。しかも、精密なリソグラフィの工程が増えると、製造方法簡略のメリットが薄れる。

一方、電界放出型冷陰極装置として、フラーレンまたはカーボンナノチューブをエミッタに用いたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。フラーレン及びカーボンナノチューブは、先端曲率半径が小さいため、駆動電圧の低減、電界放出効率の向上が可能である。また、雰囲気依存性や残留ガスの影響も小さくいため、低真空度での動作も期待できる。

このタイプの冷陰極装置の場合、フラーレンまたはカーボンナノチューブを有機溶剤に分散させてセラミックフィルタを通した後で基板上に圧着する方法によりエミッタを形成することができる。また、基板上にフラーレンまたはカーボンナノチューブをＣＶＤ法等で直接析出させる方法によりエミッタを形成することもできる。更に、フラーレンまたはカーボンナノチューブを厚膜ペースト中に分散させて印刷し、高温焼成（約５００〜８００℃）する方法によりエミッタを形成することもできる。

しかしながら、フラーレンまたはカーボンナノチューブを基板上に圧着或いは析出させる方法では、エミッタの付着力が弱く、エミッタに加わる強電界によって容易に剥離してしまう。また、フラーレンまたはカーボンナノチューブを印刷によって形成する方法では、高温焼成等の原因によって性能が低下或いは劣化するという問題がある。また、圧着及び印刷の両者共に、引き出し電極へのカーボンナノチューブの配向性が良好でなく、駆動電圧の上昇、電子放出の不均一性等の問題点を抱えている。

更に、圧着法では、カーボンの耐薬品性が高くエッチングが困難であるため、カソード配線に対応したパターニングが極めて困難であるという問題もある。また、ＣＶＤ法等による析出法では、遷移金属の触媒が必要な上、微粒子化されている必要があり、抵抗値が高くなってしまい、信号遅延等が生じやすいという問題もある。また、印刷法では、膜の抵抗が高い上、厚い膜を形成することが困難であるため、低抵抗配線の形成が困難であり、やはり信号遅延等が生じやすいという問題もある。

このように、電界放出型冷陰極としては、縦型の欠点を改良しようとした横型や、カーボンナノチューブやフラーレンをエミッタ材料に用いたものが、各種提案されている。しかし、従来提案されている電界放出型冷陰極では、先鋭度、駆動電圧、信頼性、歩留まり、製造の容易さ等の点で、十分なものではない。
Journal of Applied Physics, Vol.47, 5248 (1976) Tech. Digest of IEDM 85, p 172 (1985) 特開平１０−１４９７６０号公報

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、低駆動電圧、高電界放出効率、及び高集積化が達成可能な横型の電界放出型冷陰極を提供することを目的とする。

本発明の第１の視点は、横型の電界放出型冷陰極装置であって、
支持基板と、
前記支持基板上に配設され且つ第１側面を有するカソード電極と、
前記カソード電極に対して横並びとなるように前記支持基板上に配設され且つ前記第１側面に対して対向する第２側面を有するゲート電極と、
前記第２側面に対向するように前記第１側面上に配設された電子を放出するためのエミッタと、
を具備し、前記エミッタは、前記カソード電極上に形成された金属メッキ層と前記金属メッキ層に分散状態で支持された粒状または棒状の複数の微細体とを具備し、前記微細体は、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、低仕事関数材料、負の電子親和力材料、金属材料からなる群から選択された材料からなることと、前記微細体は部分的に前記金属メッキ層に埋設されることと、を特徴とする。

本発明の第２の視点は、横型の電界放出型冷陰極装置であって、
支持基板と、
前記支持基板上に配設され且つ第１側面を有するカソード電極と、
前記カソード電極に対して横並びとなるように前記支持基板上に配設され且つ前記第１側面に対して対向する第２側面を有するゲート電極と、
前記第２側面に対向するように前記第１側面上に配設された電子を放出するためのエミッタと、
を具備し、前記エミッタは、前記カソード電極上に形成された金属メッキ層と前記金属メッキ層に分散状態で支持された粒状または棒状の複数の微細体とを具備し、前記微細体は、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、低仕事関数材料、負の電子親和力材料、金属材料からなる群から選択された材料からなることと、前記微細体は全体的に前記金属メッキ層に埋設されることと、を特徴とする。

本発明の第３の視点は、横型の電界放出型冷陰極装置であって、
支持基板と、
前記支持基板上に配設され且つ第１側面を有するカソード電極と、
前記カソード電極に対して横並びとなるように前記支持基板上に配設され且つ前記第１側面に対して対向する第２側面を有するゲート電極と、
前記第２側面に対向するように前記第１側面上に配設された電子を放出するためのエミッタと、
を具備し、前記エミッタは、前記カソード電極上に形成された金属メッキ層と前記金属メッキ層に分散状態で支持された粒状または棒状の複数の微細体とを具備し、前記微細体は、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、低仕事関数材料、負の電子親和力材料、金属材料からなる群から選択された材料からなることと、前記微細体は棒状であり、前記微細体の５０〜１００％は、前記カソード電極が配設された前記支持基板の主面に対して±２０°の角度範囲内に配向されることと、を特徴とする。

本発明の第４の視点は、横型の電界放出型冷陰極装置であって、
支持基板と、
前記支持基板上に配設され且つ第１側面を有するカソード電極と、
前記カソード電極に対して横並びとなるように前記支持基板上に配設され且つ前記第１側面に対して対向する第２側面を有するゲート電極と、
前記第２側面に対向するように前記第１側面上に配設された電子を放出するためのエミッタと、
を具備し、前記エミッタは、前記カソード電極上に形成された金属メッキ層と前記金属メッキ層に分散状態で支持された粒状または棒状の複数の微細体とを具備し、前記微細体は、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、低仕事関数材料、負の電子親和力材料、金属材料からなる群から選択された材料からなることと、前記微細体は棒状且つ中空であり、前記微細体の内部に導電性の材料からなる充填層が配設されることと、を特徴とする。

本発明の第５の視点は、横型の電界放出型冷陰極装置であって、
支持基板と、
前記支持基板上に配設され且つ第１側面を有するカソード電極と、
前記カソード電極に対して横並びとなるように前記支持基板上に配設され且つ前記第１側面に対して対向する第２側面を有するゲート電極と、
前記第２側面に対向するように前記第１側面上に配設された電子を放出するためのエミッタと、前記エミッタは、前記カソード電極上に形成された金属メッキ層と前記金属メッキ層に分散状態で支持された粒状または棒状の複数の微細体とを具備し、前記微細体は、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、低仕事関数材料、負の電子親和力材料、金属材料からなる群から選択された材料からなることと、
前記第１側面に対向するように前記第２側面上に配設されたゲート突出部と、前記ゲート突出部は、前記金属メッキ層と同じ材料からなるゲート金属メッキ層と、前記ゲート金属メッキ層に分散状態で支持され且つ前記微細体と同じ材料からなる複数のゲート微細体とを具備することと、
を具備することを特徴とする。

更に、本発明に係る実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。

本発明によれば、電界放出の安定性や均一性に優れた高性能の横型の電界放出型冷陰極装置を提供することができる。

以下に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要に応じて行う。

図１は本発明の実施の形態に係る横型の電界放出型冷陰極装置を応用した真空マイクロ装置の一例である平板型画像表示装置を示す断面図である。また、図２は同装置の部分平面図、図３は同装置の要部の断面図である。

この表示装置は、図２図示の如く、マトリックス状に配列された多数の画素の夫々に対応して、カソード電極２２とゲート電極２４とのペアを有する。カソード電極２２は図２において垂直な方向に配列されたカソードライン１２に接続され、ゲート電極２４は図２において水平な方向に配列されたゲートライン１４に接続される。

全てのカソード電極２２及びゲート電極２４は、図１図示の如く、ガラス製の絶縁性支持基板１６の平坦な主面（図１において水平方向に広がる上面）上に配設される。各画素においてカソード電極２２とゲート電極２４とは、支持基板１６上で、１μｍ〜３０μｍという小さな隙間を介して横並びに隣接して配置される。カソード電極２２及びゲート電極２４の互いに対向する対向側面２２ａ及び２４ａの上には、後に詳述する構造を有するエミッタ２６及びゲート突出部２８が夫々配設される。カソードライン１２、ゲートライン１４等は、支持基板１６上に配設された配線構造部１８に組込まれる。

ガラス製の支持基板１６と対向するようにガラス製の対向基板３２が配設され、両基板１６、３２間に真空放電空間３３が形成される。両基板１６、３２間の間隔は、周辺のフレーム及びスペーサ３４により維持される。支持基板１６と対向する対向基板３２の面上には、透明な共通電極即ちアノード電極３６と、蛍光体層３８とが配設される。

この平板型画像表示装置においては、ゲートライン１４とカソードライン１２とを介して各画素におけるゲート電極２４とカソード電極２２との間の電圧を任意に設定することにより、画素の点灯及び点滅を選択することができる。即ち、画素の選択は、いわゆるマトリックス駆動により、例えば、ゲートライン１４を線順次に選択して所定の電位を付与するのに同期して、カソードライン１２に選択信号である所定の電位を付与することにより行うことができる。

ある１つのゲートライン１４とある１つのカソードライン１２とが選択され、夫々所定の電位が付与された時、そのゲートライン１４とカソードライン１２との交点にあるエミッタ２６のみが動作する。エミッタ２６より放出された電子は、アノード電極３６に印加された電圧により引かれ、選択されたエミッタ２６に対応した位置の蛍光体層３８に達してこれを発光させる。

図３図示の如く、エミッタ２６は、カソード電極２２の対向側面２２ａ近傍に選択的に形成された金属メッキ層４２と、金属メッキ層４２に分散状態で支持された導電性の材料からなる粒状または棒状の複数の微細体４４と、を具備する。本実施の形態において、金属メッキ層４２は電流放出安定性や面内の均一電界放出性を向上させる抵抗バラスト層として機能し、微細体４４は電子を放出する端子として機能する。

即ち、金属メッキ層４２は抵抗バラスト効果を有するように形成されることが望ましい。このため、金属メッキ層４２の抵抗率は１０^-8〜１０^-4Ω、望ましくは１０^-7〜１０^-4Ωに設定される。このため、金属メッキ層４２は、その抵抗を増加させるための添加物質、例えばＢ及びＰ、或いはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を含有する。ここで、金属メッキ層４２としてＮｉ−Ｂ−Ｐ系のＮｉメッキ層を使用する場合、Ｂ濃度は３〜４０％、Ｐ濃度は７〜４０％に設定される。また、金属メッキ層４２としてＰＴＦＥ含有Ｎｉメッキ層を使用する場合、ＰＴＦＥ濃度は０．１〜３０％に設定される。

金属メッキ層４２は、カソード電極２２の対向側面２２ａ上のみに形成されるか、或いは、これに加えて、図３図示の如く、対向側面２２ａ近傍のカソード電極２２の上面（アノード電極３６に対向する面）の部分２２ｂにも追加的に形成される。但し、この場合、追加部分２２ｂの長さＬ１（図３参照）は、カソード電極２２の上面全体の長さＬ０に対して２５％以下の長さとなるように設定される。これは、ゲート電極２４と近傍の部分のみが実質的にエミッタとして機能できるため、これ以上金属メッキ層４２を延長しても効果がないからである。

一方、微細体４４は、カーボンナノチューブのような棒状体（図３においては微細体４４を棒状としている）或いはフラーレンのような粒状体からなる。図４（ａ）は微細体４４がカーボンナノチューブのような棒状体４４ａである場合を示す。この場合、棒状体４４ａの多くは、基部が金属メッキ層４２に埋め込まれて固定され、上部がエミッタ２６の表面に露出するような状態を形成する。或いは、棒状体４４ａは、全てが金属メッキ層４２により薄く覆われ且つこれに対応してエミッタ２６の表面に凸部が出現するような状態を形成する。一方、図４（ｂ）は微細体４４がフラーレンのような粒状体４４ｂである場合を示す。この場合、粒状体４４ｂは、一部分が露出するように金属メッキ層４２に埋め込まれて固定されるか、或いは全てが金属メッキ層４２により薄く覆われ且つこれに対応してエミッタ２６の表面に凸部が出現するような状態を形成する。

粒状または棒状をなす微細体４４は、エミッタ２６の電子放出特性を向上させるため、微小な半径或いは曲率半径を有することが必要となる。具体的には、微細体４４が粒状である場合、その半径は１００ｎｍ以下、好ましくは３０ｎｍ及以下に設定される。また、微細体４４が棒状である場合、その先端の曲率半径は５０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ及以下に設定される。

微細体４４がカーボンナノチューブのような棒状体からなる場合、電子放出特性を向上させるため、棒状の微細体４４は、ゲート電極２４に向かうように配向されることが望ましい。具体的には、棒状の微細体４４は、支持基板１６の平坦な主面の広がり方向（図１及び図３中の水平方向）に対して±２０°の角度範囲内に配向された割合が５０〜１００％であることが望ましい。

このような、棒状の微細体４４の配向付けは、後述するように、微細体４４を懸濁させた懸濁メッキ液を使用してメッキ処理を行う際、カソード電極２２とゲート電極２４との間に電界を形成することにより達成することができる。即ち、メッキ処理時にカソード電極２２に対してゲート電極２４に正の電位が付与されると、導電性の微細体４４は、カソード電極２２とゲート電極２４との間の電界の電気力線に沿って主に配向されることとなる。

また、棒状の微細体４４は、カソード電極２２とゲート電極２４との間を架橋するような長いものであると、両電極２２、２４間を短絡させることとなる。例えば、上述のように、両電極２２、２４間の距離が１μｍ〜３０μｍであれば、これよりも短い棒状の微細体４４を使用することが望ましい。このため、上記懸濁メッキ液を調製する際、微細体４４は、所定の長さに基づいて分級したものを使用することができる。但し、後述するように、微細体４４を配設後、エミッタ２６及びゲート突出部２８間に間隙を形成することもできるので、微細体４４の配設前の長さは限定的なものではない。

微細体４４は、望ましくは、カーボンナノチューブまたはフラーレンからなるが、その他の材料から微細体４４を形成することもできる。微細体４４のためのその他の材料としては、グラファイト、低仕事関数材料、負の電子親和力（ＮＥＡ）材料、金属材料等を使用することができる。具体的には、ＬａＢ₆、ＡｌＮ、ＧａＮ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｆｅ、カーボン、グラファイト、ダイヤモンド、Ｓｉ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ベータＷ、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、特に、マキビシ形状のＺｎＯや、ほう酸アルミニウム（９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃）、とくにフィラー状のほう酸アルミニウム、チタン酸カリウム等を使用することができる。また、微細体４４が中空である場合、図５図示の如く、微細体４４の内部に導電性の材料からなる充填層４５を形成することができる。

なお、上述のカーボンナノチューブ及びフラーレンは同じ炭素の同素体で、基本的には同質のものである。特異形状の極長のフラーレンがカーボンナノチューブとなる。フラーレンの基本型は、炭素の６員環と５員環とで構成されたＣ₆₀であり、その直径は約０．７ｎｍである。Ｃ₆₀は、正２０面体の１２個の５角錐になっている頂点を全て切落とすことによってできる切頭２０面体（結果的に３２面体）の頂点の全てにｓｐ²軌道混成の炭素原子を置いた構造を有する。Ｃ₆₀以外に、炭素数が６０より多い高次フラーレン、例えばＣ₇₀、Ｃ₇₆、Ｃ₈₂、Ｃ₈₄、Ｃ₉₀、Ｃ₉₆、…、Ｃ₂₄₀、Ｃ₅₄₀、Ｃ₇₂₀等が実質的に無限に存在する。

また、フラーレンの内部は中空であるため、高次フラーレンの中に低次フラーレンが玉ねぎのように何層もつまったオニオン型のフラーレンが存在し、これ等はスーパーフラーレンと呼ばれる。スーパーフラーレンにおける各層間の距離は０．３４１ｎｍとなる。例えば、Ｃ₅₄₀の中にＣ₂₄₀が入り、更にその中にＣ₆₀が入ったフラーレンはＣ₆₀＠Ｃ₂₄₀＠Ｃ₅₄₀で表される。ここで記号「＠」は、その前に記載された分子或いは原子が取込まれた内包フラーレンであることを示す。

また、フラーレンは、その中空の内部に金属を取込むことができる。このような金属内包フラーレンの例は、Ｌａ＠Ｃ₆₀、Ｌａ＠Ｃ₇₆、Ｌａ＠Ｃ₈₄、Ｌａ₂＠Ｃ80、Ｙ₂＠Ｃ₈₄、Ｓｃ₃＠Ｃ₈₂等である。更に、フラーレンの骨格部分にＮ、Ｂ、Ｓｉ等の炭素以外の元素を組込んだヘテロフラーレンも研究されている。

フラーレンは、グラファイトに対してレーザー照射、アーク放電、抵抗加熱等を施すことにより、炭素を気化させ、気化炭素をヘリウムガス中を通しながら、冷却、反応及び凝集させ、これを収集部材で収集することにより調製することができる。

一方、エミッタ２６と対向するゲート突出部２８は、ゲート電極２４の対向側面２４ａ上に選択的に形成された金属メッキ層４６と、金属メッキ層４６に分散状態で支持された導電性の材料からなる粒状または棒状の複数の微細体４８と、を具備する。ゲート突出部２８の金属メッキ層４６及び微細体４８は、夫々エミッタ２６の金属メッキ層４２及び微細体４４と同じ材料からなる。但し、エミッタ２６及びゲート突出部２８を形成するためのメッキ処理時に、カソード電極２２に対してゲート電極２４に正の電位が付与されると、ゲート突出部２８の金属メッキ層４６の厚さ及び微細体４８の密度は、エミッタ２６の金属メッキ層４２の厚さ及び微細体４４の密度よりも小さなものとなる。

本実施の形態に係る横型の電界放出型冷陰極装置においては、エミッタ２６の微細体４４が金属メッキ層４２を介してカソード電極２２に支持される。従って微細体４４はカソード電極２２に強く固着され、強電界にも耐え得る付着強度の高いエミッタが得られ、電界放出の安定性を向上させることができる。

また、エミッタ２６の金属メッキ層４２には、いわゆる抵抗バラスト効果を得るための不純物が含有されることが望ましい。例えば、金属メッキ層４２として、Ｎｉメッキ層よりも抵抗値の高いＮｉ−Ｂ−Ｐ系抵抗メッキ層或いはＰＴＦＥ含有Ｎｉメッキ層が使用される。従って、抵抗メッキ層４２によって電位降下が生じることとなり、各エミッタ２６先端の曲率半径や形状等に差異があっても、抵抗バラスト効果によって実質的にエミッタ先端の電界強度が低下し、電界放出の安定性や不均一性が大幅に改善される。この点に関し、従来の装置の場合、各エミッタ先端の曲率半径や形状等に差異があると、電界強度分布が異なることから、電界放出特性の不均一性が著しくなる。

図６（ａ）〜（ｃ）は本発明の別の実施の形態に係る横型の電界放出型冷陰極装置の製造方法を工程順に示す図であり、この装置は図１図示の装置に適用可能である。

先ず、ガラス製の支持基板１６上に金属製のカソード電極２２及び金属製のゲート電極２４を形成した。ここで、カソード電極２２及びゲート電極２４は、大型の電界放出型ディスプレイにおける信号遅延を考慮し、導電性の高いＮｉメッキ膜を使用して２μｍの厚さに形成した。また、カソード電極２２及びゲート電極２４の間のギャップは、ステッパ等の露光装置を用いて、リソグラフィにより形成した。

次に、カソード電極２２及びゲート電極２４の互いに対向する対向側面２２ａ、２４ａのみを露出させるように、両電極２２及び２４をメッキレジスト膜５２で被覆した（図６（ａ））。なお、メッキレジスト膜５２は、対向側面２２ａ、２４ａの近傍の両電極２２及び２４の上面の部分を追加的に露出させるように形成することもできる。但し、この場合、追加部分２２ｂの長さＬ１（図３参照）は、カソード電極２２の上面全体の長さＬ０に対して２５％以下の長さとなるように設定する。或いは、メッキレジスト膜５２は、エミッタ２６を形成するカソード電極２２の対向側面２２ａのみを露出させるように形成することもできる。

次に、蒸留水１リットルに対して、硫酸ニッケル２５ｇ、次亜りん酸ナトリウム４０ｇ、酢酸ナトリウム１０ｇ、クエン酸ナトリウム１０ｇ、ほう酸３０ｇの割合で溶かし、金属メッキ層４２、４６用の約ＰＨ５に調整した無電解Ｎｉ−Ｂ−Ｐ系抵抗メッキ液を形成した。更に、このメッキ液中に、微細体４４となるフラーレンＣ₆₀または所定の長さに分級したカーボンナノチューブを約５０ｇ混合し、メッキ漕５６内で攪拌により懸濁させることにより懸濁メッキ液５４を調製した。次に、懸濁メッキ液５４の温度を約８０℃に保持した状態で、カソード電極２２、ゲート電極２４及びメッキレジスト膜５２が上述の態様で配設された支持基板１６を懸濁メッキ液５４中に浸漬し、無電解メッキ処理を行った（図６（ｂ））。

この無電解メッキ処理を約３分間行ったところ、露出したカソード電極２２及びゲート電極２４の対向側面２２ａ、２４ａ上に、Ｎｉ−Ｂ−Ｐ系無電解抵抗メッキ層（金属メッキ層４２、４６）が、約３μｍの厚さで形成された。また、この際、微細体４４となるフラーレンまたはカーボンナノチューブがメッキ材料と共に沈降するため、金属メッキ層４２、４６は、微細体４４が分散状態で埋め込まれた状態で形成された。

即ち、上記無電解メッキ処理により、カソード電極２２及びゲート電極２４の対向側面２２ａ、２４ａ上に、夫々金属メッキ層４２及び微細体４４からなるエミッタ２６と、金属メッキ層４６及び微細体４８からなるゲート突出部２８とを形成することができた。なお、カソード電極２２とゲート電極２４との間のガラス製の支持基板１６上では、金属メッキ層の付着力が弱いため、金属メッキ層が殆ど形成されないか、或いは形成されても超音波で簡単に剥離した。従って、水洗、乾燥後、図１図示の装置に適用可能な所定の構造を有する横型の電界放出型冷陰極装置を得ることができた（図６（ｃ））。

なお、ここでは、無電解メッキ処理を行ったため、エミッタ２６の金属メッキ層４２の厚さ及び微細体４４の密度と、ゲート突出部２８の金属メッキ層４６の厚さ及び微細体４８の密度とは略等しいものとなった。

次に、図６図示の方法により製造した電界放出型冷陰極装置の電界放出特性を測定した。その結果、エミッタ２６先端に加わる１０⁷Ｖ／ｃｍ以上に及ぶと言われている強電界に対しても、エミッタ２６はカソード電極２２に対して強固な付着力を持ち、剥離することはなく、安定な電界放出特性を示した。なお、金属メッキ層４２無しでフラーレンまたはカーボンナノチューブのみでエミッタを形成した場合、このような強電界に対しては、エミッタの剥離現象が見られ、不安定な電界放出特性しか得られなかった。

また、本実施の形態の装置においては、Ｎｉ−Ｂ−Ｐ系無電解抵抗メッキ層４２の抵抗バラスト効果もあり、電流放出安定性が２〜３０％向上し、面内の均一電界放出性も改善できた。また、回転蒸着法で作製したＭｏエミッタと比較して、先端部の曲率半径を大幅に低減することができた。具体的には、約７０〜３００ｎｍから約１〜３０ｎｍに低減することができた。その結果、駆動電圧も、約１００Ｖから約７Ｖへと大幅に低減することができた。また、真空度が約１０^-9ｔｏｒｒから約１０^-7ｔｏｒｒに低下すると、回転蒸着法で作製したＭｏエミッタの場合には、放出電流値は約１／１０以下に、電流変動は数百％以上増加したが、本実施の形態の装置においては殆ど変化しなかった。

図７（ａ）〜（ｃ）は本発明の更に別の実施の形態に係る横型の電界放出型冷陰極装置の製造方法を工程順に示す図であり、この装置もまた図１図示の装置に適用可能である。

先ず、図６図示の実施の形態と同様に、ガラス製の支持基板１６上に金属製のカソード電極２２及び金属製のゲート電極２４を形成した。ここで、カソード電極２２及びゲート電極２４は、大型の電界放出型ディスプレイにおける信号遅延を考慮し、導電性の高いＮｉメッキ膜を使用して１μｍの厚さに形成した。また、カソード電極２２及びゲート電極２４の互いに対向する対向側面２２ａ、２４ａを露出させるように、両電極２２及び２４をメッキレジスト膜５２で被覆した（図７（ａ））。なお、メッキレジスト膜５２による両電極２２及び２４の被覆範囲は上述のように変更可能である。

次に、蒸留水１リットルに対して、スルファミン酸ニッケル６００ｇ、塩化ニッケル５ｇ、次亜りん酸ナトリウム３０ｇ、ホウ酸４０ｇ、サッカリン１ｇの割合で溶かし、金属メッキ層４２、４６用の約ＰＨ４に調整した抵抗メッキ液を形成した。更に、このメッキ液中に、微細体４４となるカーボンナノチューブを約４０ｇ混合し、メッキ漕６６内で攪拌により懸濁させることにより懸濁メッキ液６４を調製した。次に、懸濁メッキ液６４の温度を約５０℃に保持した状態で、カソード電極２２、ゲート電極２４及びメッキレジスト膜５２が上述の態様で配設された支持基板１６を懸濁メッキ液６４中に浸漬し、電気メッキ処理を行った（図７（ｂ））。ここで、陽極６８には１００Ｖ、ゲート電極２４には１０Ｖ、カソード電極２２には０Ｖが夫々印加されるように設定した。

この電気メッキ処理を約４分間行ったところ、露出したカソード電極２２及びゲート電極２４の対向側面２２ａ、２４ａ上に、Ｎｉ−Ｂ−Ｐ系抵抗メッキ層（金属メッキ層４２、４６）が、夫々約４μｍ及び０．５μｍの厚さで形成された。また、この際、微細体４４となるフラーレンまたはカーボンナノチューブがメッキ材料と共に沈降するため、金属メッキ層４２、４６は、微細体４４が分散状態で埋め込まれた状態で形成された。

即ち、上記電気メッキ処理により、カソード電極２２及びゲート電極２４の対向側面２２ａ、２４ａ上に、夫々金属メッキ層４２及び微細体４４からなるエミッタ２６と、金属メッキ層４６及び微細体４８からなるゲート突出部２８とを形成することができた。なお、カソード電極２２とゲート電極２４との間のガラス製の支持基板１６上では、金属メッキ層の付着力が弱いため、金属メッキ層が殆ど形成されないか、或いは形成されても超音波で簡単に剥離した。従って、水洗、乾燥後、図１図示の装置に適用可能な所定の構造を有する横型の電界放出型冷陰極装置を得ることができた（図７（ｃ））。

なお、ここでは、カソード電極２２に対してゲート電極２４に正の電位が付与された状態で電気メッキ処理を行ったため、ゲート突出部２８の金属メッキ層４６の厚さ及び微細体４８の密度は、エミッタ２６の金属メッキ層４２の厚さ及び微細体４４の密度よりも小さなものとなった。また、カーボンナノチューブはカソード電極２２とゲート電極２４との間の電界の電気力線に沿って主に配向された。具体的には、支持基板１６の平坦な主面の広がり方向（図７（ｃ）中の水平方向）に対して±２０°の角度範囲内に配向されたカーボンナノチューブの割合は５０〜１００％とすることができた。また、この割合は、電気メッキ処理の条件を調整することにより変化させる（従って、電子放出特性を向上させる）ことができた。

次に、図７図示の方法により製造した電界放出型冷陰極装置の電界放出特性を測定した。その結果、エミッタ２６先端に加わる１０⁷Ｖ／ｃｍ以上に及ぶと言われている強電界に対しても、エミッタ２６はカソード電極２２に対して強固な付着力を持ち、剥離することはなく、安定な電界放出特性を示した。

また、本実施の形態の装置においては、高配向のカーボンナノチューブ及びＮｉ−Ｂ−Ｐ系抵抗メッキ層４２の抵抗バラスト効果もあり、電流放出安定性が４〜５０％向上し、面内の均一電界放出性も改善できた。また、カーボンナノチューブの配向性が向上したためと推察されるが、非配向の場合に比較し、駆動電圧も３％ほど改善することができた。また、図６図示の実施の形態と同様に、真空度にも強く、放出電流値及び電流変動は、殆ど変化しなかった。

図６及び図７図示の実施の形態においては、フラーレンまたはカーボンナノチューブをメッキ液中に分散させ、メッキ処理を行うことにより、フラーレン等が沈降してカソード電極２２の表面に接触すると同時に金属メッキ層４２が生成される。従って、金属メッキ層４２がカソード電極２２に強く固着されると共に、フラーレン等が金属メッキ層４２に強く固着され、強電界にも耐え得る付着強度の高いエミッタ２６が得られ、電界放出の安定性を向上させることができる。また、メッキ処理が約１００℃以下の低温で行われるため、ダメージの少ないエミッタ２６を作製することができる。また、カソード電極２２等を予め支持基板１６上に形成しておけば、金属メッキ層４２を選択的にカソード電極２２上に形成することが可能であり、工程の簡略化をはかることができる。

なお、図６及び図７図示の実施の形態においては、予め、エミッタ２６とゲート突出部２８とが接触により短絡しないように、カーボンナノチューブの長さ或いはフラーレンの直径や、析出する抵抗メッキ層４２、４６の厚さを予め調整した。しかし、エミッタ２６とゲート突出部２８とが接触により短絡しても、カソード電極２２及びゲート電極２４間に通電することにより、エミッタ２６とゲート突出部２８とを切断して両者間に間隙を形成することができる。この方法により、適宜、通電時間、電流量などを調整すれば、通常のリソグラフィを用いる場合よりも、距離の短いゲート／エミッタ間の間隙を形成することが可能となる。

また、図６及び図７図示の実施の形態において、微細体４４、４８を全て金属メッキ層４２、４６で一旦薄く覆った後、ウエットエッチング、ＲＩＥ、ＣＤＥ、スパッタ、昇華の何れか１つ、またはそれ等の組み合わせを用いて、微細体４４、４８の表面の一部を露出させるようにしてもよい。また、図６及び図７図示の実施の形態においては、抵抗バラスト効果を有するエミッタの金属メッキ層４２としてＮｉ−Ｂ−Ｐ系金属メッキ層を用いているが、代わりに、ＰＴＦＥ含有Ｎｉメッキ層を使用することができる。この場合、ＰＴＦＥ含有Ｎｉメッキ層はＮｉメッキ液中にＰＴＦＥを懸濁させることにより形成することができる。更に、金属メッキ層の母体金属としては、他の金属、例えば、Ｃｒ、Ｃｕ等を使用することができる。

なお、本発明に係る横型の電界放出型冷陰極装置は、上述した用途の他、真空マイクロパワーデバイス、耐環境デバイス（宇宙用デバイス、原子力用デバイス、耐極限環境用デバイス（耐放射線用デバイス、耐高温デバイス、対低温デバイス））、各種センサ等に用いることが可能である。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。

発明の実施の形態に係る横型の電界放出型冷陰極装置を応用した真空マイクロ装置の一例である平板型画像表示装置を示す断面図。図１図示の装置の部分平面図。図１図示の装置の要部の断面図。（ａ）はカーボンナノチューブのような棒状の微細体と金属メッキ層との関係を示す拡大図、（ｂ）はフラーレンのような粒状体の微細体と金属メッキ層との関係を示す拡大図。中空棒状の微細体と充填層との関係を示す拡大図。（ａ）〜（ｃ）は本発明の別の実施の形態に係る横型の電界放出型冷陰極装置の製造方法を工程順に示す図。（ａ）〜（ｃ）は本発明の更に別の実施の形態に係る横型の電界放出型冷陰極装置の製造方法を工程順に示す図。

符号の説明

１２…カソードライン；１４…ゲートライン；１６…支持基板；１８…配線構造部；２２…カソード電極；２４…ゲート電極；２６…エミッタ；２８…ゲート突出部；３２…対向基板；３３…真空放電空間；３４…スペーサ；３６…アノード電極；３８…蛍光体層；４２…金属メッキ層；４４…微細体；５２…メッキレジスト膜；５４、６４…懸濁メッキ液；６８…陽極。

Claims

支持基板と、
前記支持基板上に配設され且つ第１側面を有するカソード電極と、
前記カソード電極に対して横並びとなるように前記支持基板上に配設され且つ前記第１側面に対して対向する第２側面を有するゲート電極と、
前記第２側面に対向するように前記第１側面上に配設された電子を放出するためのエミッタと、
を具備し、前記エミッタは、前記カソード電極上に形成された金属メッキ層と前記金属メッキ層に分散状態で支持された複数の棒状の微細体とを具備し、前記微細体は、カーボンナノチューブ、グラファイト、低仕事関数材料、負の電子親和力材料、金属材料からなる群から選択された材料からなることと、前記微細体は部分的に前記金属メッキ層に埋設されることと、
前記第１側面に対向するように前記第２側面上に配設されたゲート突出部を更に具備し、前記ゲート突出部は、前記金属メッキ層と同じ材料からなるゲート金属メッキ層と、前記ゲート金属メッキ層に分散状態で支持され且つ前記微細体と同じ材料からなる複数のゲート微細体とを具備することと、
を特徴とする横型の電界放出型冷陰極装置。
前記微細体は、５０ｎｍ以下の曲率半径の先端を有することを特徴とする請求項１に記載の横型の電界放出型冷陰極装置。
前記微細体の５０〜１００％は、前記カソード電極が配設された前記支持基板の主面に対して±２０°の角度範囲内に配向されることを特徴とする請求項１または２に記載の横型の電界放出型冷陰極装置。
前記微細体は中空であり、前記微細体の内部に導電性の材料からなる充填層が配設されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の横型の電界放出型冷陰極装置。
前記金属メッキ層は抵抗を増加させるための添加物質を含む抵抗バラスト層からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の横型の電界放出型冷陰極装置。
前記支持基板と協働して、前記カソード電極、前記ゲート電極及び前記エミッタを包囲する真空放電空間を形成する包囲部材と、前記カソード電極及び前記ゲート電極と対向する位置で前記包囲部材上に配設されたアノード電極と、を更に具備することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の横型の電界放出型冷陰極装置。
前記包囲部材は前記支持基板に対向する透明な対向基板を具備し、前記真空放電空間内で前記対向基板上に、透明な電極を具備する前記アノード電極と蛍光体層とが積層されることを特徴とする請求項６に記載の横型の電界放出型冷陰極装置。