CN1133198C - 图像形成装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种图像形成装置，包括衬底上的一个以上电子发射器件构成的电子源，每个电子发射器件有一对相对设置的器件电极，连到一对器件电极的导电膜，一部分导电膜中形成的电子发射区，电子发射区上及其周围有以碳或碳化合物为主要成分的碳膜；图像形成元件，当用由电子源发射的电子束辐射时用发射光形成图像；电子源和图像形成元件置于真空外壳内，真空外壳内存在有机物，有机物的局部压力大于1×10-3Pa，外壳内总压力小于1×10-3Pa。

Description

图像形成装置及其制造方法
本发明涉及包括排列多个电子发射器件而构成的电子源的图像形成装置及其制造方法。
CRT(阴极射线管)广泛用于用电子束显示图像的图像形成装置。
近年来，另一方面，采用液晶的平板显示装置已在一定程度上代替了CRT。但是，也相应地带来了某些问题，如由于平板显示装置不是发射型的，因而需要设置背后光。因而急需一种发射型显示装置。尽管等离子显示作为发射型显示装置已能从市场上买到，它的原理与CTR的原理不同，从色彩效果、其它技术因素和反差考虑，等离子显示装置至少在目前还不具备与CRT的竞争力。由于电子发射器件最有前景的应用是，将多个这种电子发射器件排列而制成电子源，使包括这种电子源的图像形成装置具有与CRT相同的发光作用，因此，对于这类电子发射器件的研究和开发赋出了很多努力。
例如，本发明的申请人就有关排列多个是冷阴极型器件的表面传导电子发射器件而构成的电子源和包括这种电子源的图像形成装置提出过许多建议。
现有的两类电子发射器件是热电子发射型和冷阴极电子发射型。其中冷阴极发射型器件是指包括为场发射型(以下称作FE型)器件，金属/绝缘层/金属(以下称作MIM型)电子发射器件，和表面传导电子发射器件。
FE型器件的例子包括由W.P.Dyke & W.W.Dolan在“电子物理之发展(Advance in Electron  Physics)”，8，89(1956)的″场致发射(Field emission)″和C.A.Spindt，“带有钼锥的薄膜场致发射阴极的物理特性(Physical Properties of thin-film field emissioncathodes with molybdenum cones)”，《应用物理》杂志(J.Appl.Phys.)，47，5248(1976)所报道的那些器件。
MIM型器件的例子已由C.A.Mead的论文″沟道发射器件的工作原理(Operation of Tunnel-Emission Devices)″，《应用物理》杂志(J.Appl.Phys.)，32，646(1961)披露。
表面传导电子发射器件的例子已，由M.I.Elinson.在“无线电工程与电子物理(Radio，Eng.Eleetron Phys.)”，10，1290(1965)中提出。
制成表面传导电子发射器件的基理是衬底上形成的小的薄膜，当有电流平行于表面强制流过时，该小的薄膜会发射出电子。Elinson等人提出用SnO2薄膜制造这类器件。G.Dittmer在″固态薄膜(Thin SolidFilms)″，9，317(1972)中提出A u薄膜，而M.Hartwell和C.G.Gonstad，在″IEEE.Trans ED.Conf″519(1975)以及H.Araki等人在″真空(Vacuum)″，Vol，26，No.1，p22(1983)分别提出用In2O3/Sn2O和碳薄膜制造这类器件。
本发明专利申请的申请人对表面传导电子发射器件提出了许多建议，包括图2A和2B所示的器件原理图。由于这种表面传导电子发射器件的结构及其制造方法和用这种器件构成的图像形成装置均已由日本特许公报平7-235255披露，这里只概括地说明。参见图2A和2B，表面传导电子发射器件包括衬底1、一对器件电极2和3和导电膜4。导电膜4一部分为电子发射区5。电子发射区5的制造方法是，给一对器件电极加电压，使导电膜的一部分变形、变性或破坏，使其具有高电阻性。这种方法称作“激励赋能方法”。为制成导电膜中能很好地发射电子的电子发射区，后者中最好包含如氧化钯(PdO)细颗粒的导电组颗粒。激励赋能方法中最好用脉冲电压。用于激励赋能的脉冲电压最好有图16A所示的恒定波高，或图16B所示的逐渐增高的波高。
本专利申请的申请人还报道了在电子发射区中和其周围淀积以碳为主要成分的碳膜，用激活工艺，可显著提高器件的电子发射率。典型的激活方法是在含气态有机物的气氛中给电子发射区重复地加适当的脉冲电压。
以碳或碳化合物为主要成分的碳膜的典型例包括石墨(包括所述的HOPG、PG和GC，其中HOPG是指有实质上完善的晶体结构的石墨，而PG和GC分别是晶粒大小为20nm的晶体结构有些不规则的石墨和晶粒大小为2nm的晶体结构明显不规则的石墨)和/或不结晶碳(包括非晶碳和非晶碳与含细晶粒的石墨的混合物)。
图2C是电子发射器件及其周围部分的示意图。根据加到电子发射区上的脉冲电压的不同，可用多种不同的淀积方法淀积碳膜。若脉冲极性是一个方向的，以碳或碳化合物为主要成分的碳膜主要形成在激励赋能工艺中引起变形或断裂形成的单个或多个裂缝的高电位一边上。注意，图2C中，器件电极3代表高电位一边。电子由裂缝及其周围发射出。频繁变换所加脉冲电压的极性，进行激活工艺能在裂缝的相对边上均匀淀积碳膜。
之后，电子发射器件最好经过称作“稳定处理”的处理，除去电子发射器件的衬底和包括这种器件的图像形成装置的真空外壳内壁上吸附的激活工艺中用的有机物的分子，以防止以碳或碳化合物为主要成分的碳膜的不希望的进一步生长，使器件能稳定地工作。更具体地说，稳定处理中，器件放入真空室内并加热，真宽室用包括离心泵和离子泵的排气系统逐渐抽真空至超高真空，以便令人满意地除去残留在器件上的有机物，防止淀积的碳膜进一步生长，使器件能稳定发射电子。
不进行稳定处理，会出现包括如下述的日本特许公报平7-235275(也是本专利申请的申请人披露的发明)具体说明的所存在的问题
(1)若长时间停歇之后驱动电子发射器件工作，其电性能(实际上是电流-电压的关系)会变化，因此，器件产生的发射电流瞬时显著增大。
(2)若加给器件的电压脉冲宽度变化，则器件的发射电流明显变化，结果难用控制脉冲宽度来控制器件发射的电子数量。
(3)器件的电特性随加给器件的电压的脉冲高度变化而变化。结果，难以用控制脉冲高度来控制由器件发射的电子量。
(4)若器件用在图像形成装置中，由于存在以上问题，很难按要求控制图像形成装置产生的图像亮度和颜色。
上述日本特许公报也将出现上述问题的原因归结为“在真空气氛中电子发射器件的表面上和周围区域上的有机物分子的量的波动”，因此，“将有机物分子的局部压力减至最小，可以使器件有稳定发射电子的特性而发射电流和器件电流不出现波动”。具体地说，真空室内有机物的分压强应使该低于1.3×10-6Pa(1×10-8乇)，低于1.3×10-8Pa(1×10-10乇)更好。而且，真空室内的总压强应低于1.3×10-4Pa，低于1.3×10-5Pa更好，低于1.3×10-6Pa最好。
为在器件上淀积与真空室中的有机物不同的碳和/或碳化合物，上述的专利文件还披露了在10-2-10-3Pa(10-4-10-5乇)的真空条件下给器件加脉冲电压而进行激活处理的技术。已经过激活处理的电子发射器件根据激活处理的条件、观察性能的条件及类似条件显示出器件电流If随器件电压Vf单调增大的特性(称作MI特性)或显示出与激活处理条件有关的电压-控制-负-电阻特性(也称作VCNR特性)。具有VCNR特性的电子发射器件的性能随测试特性的条件而变化。更具体地说，最初显示出VCNR特性的电子发射器件的特性随测试时的器件电压的扫描频率变化。在器件不工作的停歇状态结束后，测试开始之前的时间周期中，为测试器件而加的最高电压和其它因素影响器件的特性。例如，若电压扫描频率高，器件变成显示M2特性，尽管当电压扫描频率再降低时，器件显示出VCNR特性。任何情况下，就其器件的发射电流而言，当器件显示MI特性时，器件的电子发射性能不稳定，并随测试条件变化。
为避免出现上述问题，进行稳定处理后，器件的器件电压和器件电流之间的关系明确地限定在低于电压最高极限的工作电压范围内。换言之，器件变成了单调增大的特性(即MI特性)，因此，为避免上述问题，器件电压与发射电流间的关系也明确地限定。
因此，为稳定电子发射器件的电子发射性能，进行稳定处理的结果是，有效地除去了为制成以碳或碳化合物为主要成分的碳膜而采用的有机物。但是，电子发射器件会出现以下问题，若以碳或碳化合物为主要成分的碳膜由于某些原因而受到损耗，或用于制造碳膜用的有机物已经受损耗，那么碳膜不能再恢复。而且，电子发射器件会使以碳或碳化合物为主要成分的碳膜逐渐变坏，因此，当器件在延长的时间周期中连续工作时，会使电子发射特性变坏。各种原因会使碳膜损坏，如给电子发射区加电场产生的蒸发，器件电流产生的焦耳热产生的蒸发和离子与碳膜碰撞造成的腐蚀作用而使碳膜损坏。
为克服上述缺陷，本发明的主要目的是，提供一种图像形成装置，它能有效抑制电子发射性能损坏，并延长其使用寿命。
本发明的另一目的是，提供一种图像形成装置，它包括由一个以上的电子发射器件排列而成的电子源，每个电子发射器件设置有在电子发射区中和附近形成的以碳或碳化合物为主要成分的碳膜，它能有效抑制电子发射性能的损坏，延长其工作寿命，防止电子发射性能波动。
按本发明，为达到上述目的，提供一种图像形成装置，它包括在衬底上的一个以上的电子发射器件构成的电子源，每个电子发射器件有一对相对设置的器件电极，与这对器件电极连接的导电膜，和在部分导电膜中形成的电子发射区，在电子发射区上和其周围区中还形成有以碳和碳化合物为主要成分的碳膜，和当用电子源发射的电子束辐射时，用发射光形成图像的图像形成元件，电子源和图像形成元件放在真空外壳内，其特征是，真空外壳内存在有机物，有机物的分压强大于1×10-6Pa，真空外壳内的总压强小于1×10-3Pa，选择有机物的条件是，有机物呈现出的平均吸附时间短于电子源的驱动周期。
按本发明的另一方案，是提供如本发明第5方面所述的图像形成装置的制造方法，即，另一种图像形成装置的制造方法，该装置包括在衬底上的一个以上电子发射器件构成的电子源，每个电子发射器件有一对相对设置的器件电极，连接到一对器件电极的导电膜，和导电膜一部分中形成的电子发射区，电子发射区上及其周围形成有以碳或碳化合物为主要成分的碳膜，和图像形成元件，当用由电子源发射的电子束辐照时，发射光形成图像；电子源和图像形成元件置于真空外壳内，其特征是，上述方法包括以下步骤，形成所述电子发射区的激励赋能步骤；真空外壳内引入有机物并对器件加脉冲电压，在每个电子发射器件的电子发射区上及其周围淀积形成以碳或碳化合物为主要成分的碳膜用的激活步骤；稳定步骤，在激活步骤后除去真空外壳内残留的有机物；和气体输入步骤，引入平均吸附时间短于电子发射器件驱动周期的有机物，或有机物气体与氢气的混合物，所引入的平均吸附时间短于电子发射器件驱动周期的有机物的分压强大于1×10-6Pa，真空外壳内的总压强不大于1×10-3Pa。其平均吸附时间长于电子发射器件的驱动周期的有顶物的分压强保持在不大于1.0×10-6Pa。图像形成装置包括衬底上的一个以上的电子发射器件构成的电子源，每个电子发射器件有一对相对设置的器件电极，与这对器件电极连接的导电膜，形成在一部分导电膜中的电子发射区。并在电子发射区上和其周围形成有以碳或碳化合物为主要成分的碳膜，和当用电子源发射的电子束辐射时用发射光形成图像的图像形成元件，电子源和图像形成元件放入真空外壳内，其特征是，该方法包括以下工艺步骤：形成所述电子发射区的激励赋能步骤；给真空外壳引入有机物并给器件加脉冲电压，在每个电子发射器件的电子发射区上和其周围形成以碳或碳化合物为主要成分的碳膜用的激活步骤；激活步骤后除去真空外壳内残留的有机物用的稳定步骤；和引入其平均吸附时间比电子发射器件的驱动周期短的有机物气体或有机物与氢气的混合气体的气体引入步骤，其平均吸附时间比电子发射器件的驱动周期长的有机物的分压强大于1.0×10-6Pa。其特征是其平均吸附时间比电子发射器件的驱动周期短的有机物是CH4(甲烷)，C2H4(乙烯)，C2H2(乙炔)或C4H2(丁二炔)。
本发明另一种图象形成装置，包括：
a)一个密封外壳，它包括一个电子发射器件，所述电子发射器件具有一层包括以碳或碳化合物为主要成分的碳膜，以及
b)一个电压施加装置，用于以大于4.35×10-10秒的间隔向所述电子发射器件施加电压；其中，所述密封外壳内部气体总压强小于1×10-6Pa，所述内部气体包括甲烷，且所述甲烷的分压强大于1×10-6Pa。
本发明另一种图象形成装置的制造方法，包括的步骤为：
a)在一个外壳内设置一个电子发射器件，所述电子发射器件具有一层包括碳或碳化合物的碳膜；
b)将所述外壳抽真空，使其有机物的分压强为小于1.3×10-6Pa；
c)向所述外壳内引进甲烷，使所述甲烷的分压强大于1×10-6Pa。
d)将所述电子发射器件电气连接到一个以一个大于4.35×10-10秒的间隔施加电压的电压施加装置。
图1是按本发明的图像形成装置的实施例的发射电流随时间变化的曲线图和与已知装置的相应曲线的对比图；
图2A，2B和2C是可用于本发明目的电子发射器件的结构示意图；
图3是按本发明的电子源的布线配置(矩阵布线)示意图；
图4是按本发明的包括按矩阵布线配置的电子源的图像形成的装置透视图；
图5是按本发明的图像形成装置用的荧光膜的两种可能的设计图；
图6是按本发明的图像形成装置的制造方法中激活工艺用的系统示意图；
图7是按本发明的图像形成装置的制造方法中激励赋能工艺用的电子源排列示意图；
图8是按本发明目的的电子源用的另一布线配置(阶梯形布线)示意图；
图9是按本发明的包括有阶梯形布线配置的电子源的图像形成装置的透视示意图；
图10是有矩阵布线配置的电子源的局部平面示意图；
图11是沿图10中线11-11剖开的电子源的剖视图；
图12A至12H是按本发明的有矩阵布线配置的电子源在不同制造步骤的剖视图；
图13是按本发明的图像形成装置的制造中稳定工艺用的装置示意图；
图14是用于测量平均吸附时间测试成的示意图；
图15是由图14所示测试仪获得的结果确定平均吸附时间的方法曲线图；
图16A和16B是按本发明的图像形成装置的制造中激励赋能工艺用的不同电压脉冲的曲线图；
图17是展示本发明优点的、按本发明的图像形成装置所加的脉冲电压停止前后发射电流之差与现有设备的相应参数对比的曲线图；
图18是展示发明优点的、按本发明的图像形成装置的发射电流与密封的甲烷压力之间的关系曲线与现有装置的相应关系曲线的对比图；
图19是展示发明优点的、按本发明的图像形成装置的发射电流与密封的混合气体中的甲烷含量之间的关系曲线与现有设备的相应关系曲线的对比图；
图20是按本发明的图像形成装置用的电子发射器件的器件电压与器件电流之间的关系曲线和器件电压与发射电流之间的关系曲线图。
为防止图像形成装置的电子发射器件出现上述的损坏其性能的现象，常规的方法是，给图像形成装置的真空外壳引入形成以碳或碳化合物为主要成分的碳膜用的有机材料相同的有机物，以补偿电子发射器件的碳膜受损部分。但是，该方法会带来以下问题，由于有机物会残留在器件上和其周围，因而使电子发射器件的电子发射性能出现问题。因此，本发明提供一种能补偿电子发射器件的以碳或碳化合物为主要成分的碳膜受损部分和驱动器件中出现的损伤，以抑制器件的电子发射性能变坏，并延长其使用寿命。
现在将详细说明本发明。
本发明的发明人发现，完全除去外壳内残留的有机物后，给真空外壳中密封进平均吸附时间短的有机物，能达到本发明的上述目的。发明人还发现，其平均吸附时间短的有机物气体中加入氢气，能有效地防止产生漏电流。
这里用的平均吸附时间的确定方法是指分子吸附在真空外壳的内壁和衬底表面到分子以吸附状态脱离的时间周期。平均吸附时间随分子质量、极化的存在、严格地说包括吸附器与被吸附物之间的关系等其它因素而变化。
固体表面能对气体物质分子物理或化学吸附，就本发明而言，主要是物理吸附，典型的化学吸附包括大量吸附能量和不容易被释放化学吸附的气态物质分子。因此，容易化学吸附的气体物质不适合密封在真空外壳内。
由方程式(1)得出平均吸附时间τ，
τ＝τ0·exp(U/kT)                       (1)式中U是吸附能量，k是波尔兹曼(Boltzmann)常数，T是温度。τ0表示操作“频率因素”的典型量，为10-13秒。
1摩尔的气体分子吸附产生的热量E称作吸附垫，用等式E＝NaU表示，式中Na是阿伏伽德罗数(6.023×1023)。
严格说，给定量的气体物质分子的吸附热或吸附能量随吸附物变化，因此，不能明确地确定，曲型的吸附热或或吸附能量稍大于给定量的物质分子的汽化热。可以估计大量的不同气态物质的最大值。
例如，″真空技术(The Technology of Vacuum)″(由日本真空技术委员编辑、日本产业技术服务中心出版，Nov.26，1990)的第60页的表1.1中列出了各种气体物质的最大吸收能量的估计值，它包括CH4为3.4×10-20J(焦耳)，C2H4为5.55×10-20J，C2H2为6.25×10-20J。
用等式(1)可算出在300K的τ值，CH4为4.35×10-10秒，C2H4为6.60×10-8秒，C2H2为3.57×10-7秒。
若气体物的τ值大，能比较容易地用实验方法确定其τ值。图14是测试平均吸附时间用的测试仪的示意图，其中，用小管144连接一对真空容器141和142。小管144长度为1，管内径为r，其中的一个容器设有阀143。测试平均吸附时间用的吸附气体放入真空室141，其压力为Po，注意，容器141中的压力不应高到阀门143打开允许容器141的气体流出时它产生粘滞气流过管子144。另一方面，对真空室142抽真空使其内部压强低于P0。真空室142设置可随时测试内压强的压力计145。阀门143打开，真空室142的内压强按图15中曲线所示方式增大。真空室141的内压强在一定范围内不会明显脱离P0，压强P随时间变化到逐渐接近图15中的直虚线。
若直虚线与时间坐标轴的交叉点值是L，或t＝L，则可用下式(2)近似地算出L值，
L＝(1/8)(12/γ)βst                       (2)
式中β是“粗糙常数”，若用有平滑内表面的管子则β为1，s是吸附几率，它表示分子与管内壁碰撞而无弹性漫射地被吸附的几率，当分子有大的τ值时，由于分子几乎不脱落地被吸附，因此s基本等于1。因此，测试真空室142的内部压力随时间的变化可近似地确定τ值。(参见″用非静态流动方法对油分子平均吸附时间的测量(Ameasurement of Mean Absorption Time of Oil Moleculesby the Non-Stationaryflow Method(part 2)，Vacuum.Vol.6.pp320-328，1963)。
然而存在上述现象的原因还不清楚，也许能解释如下，至少可部分说明其原因。
在电子发射器上淀积形成的以碳或碳化合物为主要成分的碳膜有电子发射中起主要作用。更具体地说，如图2C所示，在导电膜中形成的裂缝周围淀积形成以碳或碳化合物为主要成分的碳膜，并在导电膜的裂缝中形成碳膜裂缝。使器件按高速有效地发射电子，裂缝具有有限宽度。
驱动电子发射器件工作时，强电场加到有裂缝的区域，流过此处的电流产生焦耳热，随之使以碳或碳化合物为主要成分的碳膜蒸发，而使碳膜逐渐失去。
而且，残留在真空外壳内的某些气体有机物分子与由电子发射器件发射的电子碰撞，而成为离子，因此，当这些被离子化的分子溅射时以碳或碳化合物为主要成分的碳膜会进一步失去。结果，膜层裂缝变宽，使电子发射速率降低。另一方面，密封在真空外壳内的有机物分子部分吸附到电子发射区及其附近并激励，加速了以碳或碳化合物为主要成分的碳膜的进一步淀积。结果，电子发射速度增大。
因此，若上述处理以均衡的方式同时反方向进行，则以碳或碳化合物为主要成分的碳膜不会减少，并能保护电子发射器件不受损坏，而稳定地工作。因而，要求两种方法最好均衡，电子发射器件的性能不随时间变化，将会限定工艺波动。
在这种均衡条件下，真空外壳内存在的有机物可能会出现退回到稳定处理前的状态，用具有短平均吸附时间的有机物，能使电子发射器件的电子发射性能保持在经稳定处理后的状态。
以下说明用具有短平均吸附时间的有机物的作用。
电子发射器件的电性能可按上述方式在电子发射区域以周围碳或碳化合物为主要成分的碳膜中的变化而呈函数变化，并吸附到电子发射区上及其周围的分子不聚集到碳膜上也会影响电子发射器件的电特性。当有机物分子吸附到电子发射区上及其周围时，某些情况下会形成桥接触缝的电路，或使裂缝的有效宽度变窄，因而，使流过此处的器件电流If增大。
给电子发射器件加脉冲电压而使其驱动时，由于所加的电场和在此产生的焦耳热而使所吸附的有机物分子部分脱离，而一些残留分子会聚集而生成含碳碳膜。另一方面，不加脉冲电压时，环境气相中的有机物分子令加热电子发射区并被吸附于此，建立一个均衡状态，并确定器件的电性能。
现在假定按一定间隔加脉冲电压，使器件呈现出某一设定的电特性，然后，停止加脉冲电压。若有机物分子的平均吸附时间长于脉冲间隔，再加脉冲电压时有机物分子吸附量会增大，器件电流If会瞬时增大。由于器件电流的影响发射电流Ie也会随着变化。这就是说，变暗停止后，图像形成装置的每个像素的亮度成为大于正常亮度的不希望的程度。另一方面，若有机物分子的平均吸附时间短于脉冲间隔，再加脉冲电压时，有机物的吸附分子量达到均衡状态，若所加脉冲的间隔延长，它也不会变化，因此，图像形成装置的优点是，每个像素的亮度无波动。
发射电流随驱动脉冲电压的脉冲宽度呈函数关系变化的这种现象的原因是，所加脉冲的间隔也随脉冲宽度变化而呈函数变化。因此，可以有把握地断定，很好地利用上述作用能实现本发明。
脉冲间隔等于图像形成装置中的器件的驱动周期。因而装置的真空外壳内密封的有机物的平均吸附时间短于驱动周期。
驱动脉冲电压变化引起电子发射器件的电特性变化的原因是驱动脉冲电压使吸附到电子发射区上及其周围的有机物分子量的变化增大。例如，处理中，加上脉冲电压时有机物分子从吸附状态脱离，电场强度对分子的影响增大，吸附大量有机物分子的脱离速度增大，使缝隙的有效宽度变窄。当有机物分子的脱离速率与吸附速度均等时，器件的电子发射性能便稳定。之后，随着脉冲电压的波高降低，由于所加电场强度降低，使分子的脱离速度降低，使有机物分子吸附的净速度增大直至缝隙宽度下降为止，在其它时间两种速度最终变成均衡。达到均衡态出现的这个过程不仅仅是电子加电场使分子脱离而造成的，产生的焦耳热使分子脱离也是主要因素之一。
另一方面，有短平均吸附时间的有机物分子，其吸附的分子量在气氛中的压强大小与本发明所选的有机物的分压强大小相比还是较小的，因为平均吸附时间短，所以，所吸附的分子量的变化程度相同时，对电子发射器件的电特性不会有明显的影响。
任何情况下，电子发射器件显示MI特性时，器件电流If与器件电压Vf之间的关系既不受测试时器件电压的扫描频率的影响，也不受测试用的所加电压的最大值(在正常驱动电压范围内)的影响，因此，若按要求的平均吸附时间选择真空外壳中密封的有机物，器件电流能由器件电压明确地确定。因此，按本发明，能提供一种电子发射器件，当短暂停止后，不会立刻出现发射电流瞬时增大的问题，也不会出现发射电流与脉冲宽度相关和脉冲电压变化引起电性能变化的问题，能有效避免电子发射器件的电子发射性能变坏。
图20是没有上述问题的按本发明的电子发射器件的电子发射性能的曲线图。参见图20，器件电流If具有器件电压Vf的阈值Vtho当器件电压Vf小于阈值Vth时，器件电流If实质上为0，当Vf大于Vth时，If随Vf单调地函数增长。为观察器件在其工作电压范围内的性能，器件电流可由驱动电子发射器件所加的器件电压明确地确定。发射电流Ie再随高于阈值Vth的器件电压Vf单调增大，或前者由后者明确地确定。注意，图20中，由于器件电流If和发射电流Ie的大小极不相同，因此可任选它们各自的尺度，尽管尺度均是直线尺度。
若密封的有机物的分压强太小，也不能令人满意的淀积以碳或碳化合物为主要成分的碳膜。另一方面，若真空外壳中的有机物的局部压力太高，会出现放电危险，它会出现上限。
一系列实验的结果，发现真空外壳内的气体有机物的分压强不应小于1×10-6Pa。为避免放电，总压强的上限能随真空外壳的构形和气体有机物的种类而变化，对于普通平板形图像显示装置而言，当其上加几千伏的阳极电压时，为产生可接收的图像，总压强约为1×10-3Pa。
若不能令人满意地进行稳定处理，当有较长平均吸附时间的有机物留在真空外壳内外再密封进有短平均吸附时间的气体有机物，显然不能做出不存在以上问题的图像形成装置。因此，为实现本发明目的，在稳定处理中必须消除真空外壳内存在的有机物。为实现本发明目的，不仅要给真空外壳引入激活处理用的有长平均吸附时间的有机物，还要从抽真空系统给空外壳引入不是有意吸附到真空外壳的内壁的有机物和不希望的有机物。因此，考虑到这些因素，必须严格进行稳定处理。
留在真空外壳内的有长平均吸附时间的有机物的分压强在稳定化处理后应低于上述的日本专利公报平5-235275号中所述的压强，或1.3×10-6Pa。制成的图像形成装置的真空外壳内的气氛也应满足上述的有关有长平均吸附的时间的有机物的分压强的要求。
以下说明真空外壳中上述气体有机物中加氢气的作用。氢原子团具有对形成在电子发射区上的以碳或碳化合物为主要成分的碳膜腐蚀作用，包括甲烷等的有机物的每个分子中包含氢原子，所以，一旦因为某些原因而使分子键断裂能产生一个或多个氢原子团，进一步腐蚀碳膜。特别是，这些分子聚合不完全和稳定性差的碳膜能被迅速腐蚀。结果，以碳或碳化合物为主要成分的部分碳膜不能显著地促进电子发射并优先腐蚀漏电流路径，提高了器件的电子发射效率(由于器件被驱动时激励很差，并有少量碳化，因此，能迅速腐蚀)。例如，取单个氢键断裂的甲烷(CH4)生成氢原子团，之后碳和氢产生的各自的原子团的比为1∶1。(注意，由于所有的甲烷分子不必释放氢原子团，因此，这是一个简化的理论)。在用乙烷，乙烯或丁烯时，每个分子的碳原子数都大于甲烷分子的碳原子数，若与甲烷相比，因此，碳与氢的原子对碳有利，因此这些物质中的任何一种均会使上述的腐蚀作用明显降低。因此，为了提高相对于有机物中所含碳原子数量的氢原子数，加入氢气，因而提高腐蚀作用，注意，氢分子中的分子键断裂时会产生两种氢原子团，氢分子或H2的键更强或难断裂，因此，与有机物相比，氢气只产生少量氢原子团。换言之，引入真空外壳内的氢气量并不能表示真空外壳内原子团的增大量。为明显增大真空外壳内氢原子团的数量，因此，会不成比例地引入氢气。
现在用实施例详细说明本发明。
为实现本发明目的，为制造电子源，在衬底上形成有图2A至2C所示结构的大量表面传导电子发射器件。
可按多种不同模式将电子发射器件排列在衬底上。
例如，将多个电子发射器件沿一个方向排列成平行的多行(以后称作行方向)，每个器件在其相对端用布线使其连接，用控制电极(也称作栅极)驱动器件工作，控制电极与上述电子发射器件隔开沿垂直于行方向的方向排列(以后称作列方向)，以构成阶梯形排列。而且，多个电子发射器件可沿x方向排列成多行并沿y方向排列成多列，构成矩阵形，x方向与y方向相互垂直，同一行上的多个电子发射器件用每个器件的电极之一连到公共x方向布线上，而同一列上的多个电子发射器件由每个器件的另一电极连接到公共y方向布线上。后面的排列称作简单矩阵排列。
首先，能按下述方式制备包括有简单矩阵排列的电子源的图像形成装置。图3是有简单矩阵排列的电子源的示意图。参见图3，电子源包括电子源衬底31，沿表面传导电子发射器件34的x方向布线32和y方向布线33和连接布线35。
设置总数为m的x方向布线32，它们标成Dx1，Dx2……Dxm，这些布线用真空淀积，印刷或溅射法用导电金属制成。这些布线的材料，厚度和宽度都应适当而仔细地设计。排列总数为n的y方向布线33，并将其标成Dy1，dy2…Dyn。它们用的材料，厚度和宽度均与x方向布线32相同。在m条x方向布线32与n条y方向布线33之间淀积层间缘层(未画)，使其相互隔离(m和n是一个整数)。
典型的层间绝缘层(未画出)用SiO2用真空淀积法、印刷法或溅射法制成。例如，可在其上形成有规定形状的x方向布线32的衬底31的整个表面上或部分表面上形成层间绝缘膜。层间绝缘膜的厚度、材料和制造方法的选择原则是，要使层间绝缘膜能经受加在任何x方向布线32与任何y方向布线33之间的电位差。引出每根x方向布线32和y方向布线33以构成外引出端。
每个表面传导电子发射器件34的相对设置的成分电极(未画出)用导电金属制成的各连接布线35与m根x方向布线32之一和m根y方向布线33之一相连。
器件电极和由布线32和33伸出的连接布线35用的导电金属材料可以相同或含有共同的元素组分，当然，它们也可以相互不同。这些材料可以从器件电极所选用的材料中适当选择。若用相同材料制造器件电极和连接布线，则它们统称为器件电极而不分连接布线。
x方向布线32与扫描信号施加装置(未画出)电连接，以便给表面传导电子发射器件34的所选行加扫描信号。另一方面，y方向布线33电连接到调制信号发生装置(未画出)，以便将调制信号加给表面传导电子发射器件34的所选列，并按输入信号调制所选到的表面传导电子发射器件。注意，加给每个表面传导电子发射器件的驱动信号表示成加给器件的扫描信号与调制信号的电压差。
以下将参见图4，5A、5B和图6说明有上述简单矩阵排列的电子源的图像形成装置。图4是图像形成装置局部切开的透视图。图5A和5B是图4所示图像形成装置能用的荧光膜的两种可能的构形。
参见图4所示的图像形成装置显示屏的基本构形，它包括上述类型的其上载有多个电子发射器件的电子源衬底31，牢固地固定电子源衬底31的后背板41，由在其内表面上放置有荧光膜44和金属基底45的玻璃衬底43和支承架42制成的面板46；因此熔点熔融玻璃将后背板41和面板46粘接到支承架上。
x方向布线32与y方向布线33排列成与表面传导电子发射器件34的成对的器件电极电连接。
电子源包括真空外壳47，如上所述，它有面板46，支承架42和后背板41构成。由于后背板主要用于加强衬底31，若衬底31自身的强度足够大，就可省去后背板41。这种情况下，可以不用单独的后背板41，衬底31可直接粘到支承架42上，所以真空外壳47由面板46，支承架42和衬板31构成。在面板46与后背板41之间设置多个称作垫圈的支承件(未画)可使承受大气压力的外壳47的总强度提高。
图5A和5B是可用于本发明的荧光膜的两种可能的构形。若显示屏只用于显示黑白图形，那么，荧光膜44可以只包括单个荧光体。若荧光屏用于显示彩色图形，它包括黑导电件51和多个荧光体52，其前者是指根据多个荧光体的排列的多个黑色导带或黑色导体矩阵构件。黑色导带或黑色导体矩阵构件排列成彩色显示屏，因此，使三个不同原色的荧光体2的差别减少，并且，使周围区变黑，可减弱荧光膜44反射的外部光显示的图像对比度下降的反作用。通常用石墨作黑带的主要成分，也可用透光率和反光率低的其它导电材料。
无论是黑白显示屏或彩色显示屏，都可用沉淀或印刷技术将荧光材料加到玻璃衬底43上。普通的金属基底45设置在荧光膜44的内表面上。设置金属基底45使由荧光体发射的指向外壳内边的光线再回到面板46，以提高显示屏的亮度，用金属基底45作给电子束加加速电压的电极，并保护外壳内产生的负离子与它们碰撞而造成的损坏。它们制备方法是，使荧光膜的内表面光滑(用一种通常称之为“镀膜”的方法)，并用真空淀积法在荧光膜形成后在其上形成铝膜。
为提高荧光膜44的导电率，面对荧光膜44的外表面的面板46上可形成透明电极(未画)。
若包括彩色显示屏，在将外壳的上述构件粘接到一起之前，应使每一组的彩色荧光体与电子发射器件精确对准。
可用以下方式制备图4所示图像形成装置。
图6是制成图像形成装置用的系统示意图。参见图6，图像形成装置61用抽真空管62连到真空室63，之后再用阀门64连到抽真空系统65。真空室63设置有压强计66，四极质普仪67和其它元件，用于测试内部压强和气氛中所含各种气体物质的分压强。由于很难直接测试图像形成装置61的真空外壳47的内部压强，因此，通过观察真空室63的内部压强和其它可测试的压强来控制系统的状态。
真空室还连接到气体输入管68，使其送入所需气体来控制真空室内的气氛。气体输入管68的另一端连接到物质源610，物质源610把要供给真空室的各种物质储存于小玻璃瓶内和/或槽内。气体输入管上设置输入控制装置69，用于控制要送入真空室的各种物质的送入速度。输入控制装置69包括各种阀门，例如，控制要放出的各种物质流速的缓慢泄漏阀和根据物质源内储存的物质的流量控制器。
用图6所示系统给真空外壳47内部抽真空，并对外壳内的电子发射器件进行激励赋能处理。y方向布线33与公共电极71连接，并用电源72给每个x方向布线32上的器件加脉冲电压。
而且，给各x方向布线依次加相位变换的电压(称作扫描)，对连到多个x方向布线上的多个器件进行统一的激励赋能处理。图7中，数字73是表示测试电流用的电阻器，74表示测试电流用的示波器。
激励赋能处理后进行激活处理。激活处理中，将外壳47完全抽空，之后，用输入管68引入有机物。本工艺中不适用有长平均吸附时间的有机物。如下所述的随后进行的稳定处理中有机物将令人满意地除去，但是，如果用有长平均吸附时间的有机物则在稳定化工艺中不能适当地除去。激活处理中可使用的有机物包括甲烷，乙烷，乙烯，乙炔，丙烯，丁二烯，正己烷，苯，硝基苯，甲苯，邻二甲苯，苯基氰，氯乙烯，三氯乙烯，甲醇，乙醇，异丙醇，乙基乙二醇和丙酮。若该激活工艺中所选用的有机物与随后的气体送入步骤中所用有机物相同，则可避免残留有机物造成的不利影响。由于这些有机物是典型的有短平均吸附时间并易于从真空外壳内消除的物质，因此用它们是有利的。如果需要，本激活处理中也可将除有机物外的其它物质引入真空外壳内。之后在包含有机物的气氛中给每个电子发射器件加脉冲电压，直到在电子发射器件的电子发射区上淀积形成以碳或碳化合物为主要成分的碳膜为止，以使器件的电子发射速率显著增大。像激励赋能处理一样，可给连接到信号方向布线上的所有器件同时加脉冲电压。
激活处理完成之后，电子发射器件要进行稳定处理。
稳定处理中，用抽气管62给真空外壳47抽真空，用包括离子泵和吸附泵的典型无油抽气系统，同时对真空外壳47加热并保持在80℃至250℃，在真空外壳内产生完全无有机物的气氛。如果不能完全除去有长平均吸附时间的有机物而使留在外壳内的有机物浓度达到本工艺要求的程度，电子发射器件将不能稳定工作，不能达到本发明目的，如上所述，本工艺中这些有机物的局部压力应降到低于1.0×10-6Pa。
由于水的吸附时间在毫秒级，它属于有较长平均吸附时间的物质，因此，要用较长时间完全排除真空外壳内的潮气。当真空外壳内抽真空而降低内部压强时，内部压强在10-3至10-6Pa范围内时，残留气体中的潮气占相当大的比例。含或不含氢的有机物混合气体引入真空外壳内，在真空外壳包含这种残留空气的状态下，在随后的气体输入步骤中会产生所要求的压强，因此，很难精确控制输入真空外壳的混合气体量。因此，要求在稳定步骤中要给外壳完全抽真空。至真空外壳中包括有长平均吸附时间的有机物的分压强的内压强下降到1.0×10-6Pa以下为止。
之后，引入有或没有氢的有机物混合气体，之后，加热并燃烧熔化抽气管使真空外壳全密封。为了储存后能使真空外壳内保持达到的真空度，可进行消气处理。消气处理中，在真空外壳的预定位置设置的消气剂在真空外壳储存前后经电阻加热器或高频加热器加热蒸发形成膜。典型的消气剂包含主要成分Ba(钡)，蒸发形成的膜的吸附作用除去密封真空外壳的壁放出的湿气和氧，使真空外壳47中保持低压气氛。
参见图8和9说明有在衬底上按阶梯形式排列的多个表面传导电子发射器件的电子源和包括这种电子源的图像形成装置。
首先参展示有阶梯形排列的电子源的图8，数字81表示电子源衬底，82是排列在衬底上的各表面传导电子发射器件，数字83是指连接表面传导电子发射器件用的公共布线，并交替地设置各外引出端Dx1至Dx10。衬底81上沿x方向将多个电子发射器件82排列成行以下称作器件行，构成包括多个器件行的电子源，每行包括多个器件。用一对公共布线将每个器件行的多个表面传导电子发射器件相互电并联，给公共布线对加适当的驱动电压就能单独驱动各器件行的多个器件。更具体地说，给器件行加高于电子发射阈值电压的驱动电压使其发射电子，而给其余的器件行加低于电子发射阈值电压的电压。而且，任何两个相邻的器件行能共用一单根公用布线。因此，例如，用于器件行的多根公共布线Dx2至Dx9中的单根布一可用于Dx2和Dx3等。
图9是包括具有按阶梯形排列的电子发射器件的电子源的图像形成装置的显示板的透视图。图9中，显示板包括栅电极91，每个栅电极设置有多个使电子穿过的孔92和一组外引出端Dox1，Dox2……Doxm，它们用93统一指示，而另一组外引出端G1，G2……Gn连到各栅电极91并用数字统一表示。数字95和96分别表示衬底和面板。
图9所示显示屏与包括图4所示简单矩阵排列电子源的显示屏的主要差别是，图9所示装置有在衬底95与面板96之间排列的栅电极91。
图9中，为调制由表面传导电子发射器件发射的电子束，在衬底95与面板96之间垂直于梯形器件行排列多个带形栅电极91，每个栅电极设置有相应于各电子发射器件允许电子束穿过的孔。注意，图9所示带形栅电极应不限制电极的形状和位置。因此，栅电极可以设置网眼形开口并围绕或接近表面传导电子发射器件而排列。
栅电极的外引出端92和94电连接到控制电路(未画)。
有上述构形的图像形成装置，在以行为基本的行上的电子发射器件驱动(扫描)操作时，同步地给图像单行用的栅电极行同时加调制信号，使其进行电子束辐射，因而能在一行接一行的基板上显示图像。
因此，按本发明的有上述构形的显示装置由于可用作电视广播的显示装置，作可视电话会议的终端，计算机终端，作包括光敏磁鼓的光学打印等多种用途，因而它在工业上和商业上有广告的用途。
对应于上述33ms的驱动周期普通电视机(NTSC，PAL等)的驱动频率是30Hz，用作计算机终端的显示装置对应于16.7ms的驱动周期的驱动频率为60Hz。因此，若能用脉冲宽度调制或脉冲波高调制实现亮度等级，则电视机和计算机终端用的显示器中的真空外壳内可以允许存在平均吸附时间短于其驱动周期的有机物。因此，真空外壳内密封的气体有机物的选用原则是，所用有机物的平均吸附时间应短于显示装置的驱动周期。
调制具有预定脉冲波高的脉冲电压所加次数和有预定时间周期的预定短脉冲宽度能达到亮度等级。这种情况下，驱动周期可短几微秒，但仍能符合本发明要求，因为，如上所述甲烷，乙烯和/或乙炔的平均吸附时间很短。
现在用实施例说明本发明。但是，应注意，本发明不限于此，在不脱离发明范围的情况下，单个元件和整体设计等方面均可以有各种变化和改型。
例1
本例中，图像形成装置包括在衬底上排列的大量表面传导电子发射器件构成的电子源，并设置有已制备的简单矩阵布线。图10是这些实例中制备的电子源的局部平面图。图11是按图10中11-11线切开的剖视图。
图10和11中，1是衬底，102和103分别是x方向布线(下层布线)和y方向布线(上层布线)，还有器件电极2和3，包括电子发射区的导电膜4，层间绝缘膜104和器件电极2与下层布线102电连接用的接触孔105。现在参见图12A至12H用电子源的电子发射器件识明电子源的制造方法。注意，以下制造步骤(步骤A至H)，分别对应图12A至12H。
(步骤A)
钠钙玻璃板彻底清洁后，用溅射法在其上形成0.5μm厚的氧化硅膜，制成衬底1，在其上依次形成厚度分别为5nm和600nm的Cr和Au膜，之后在其上旋涂光刻胶并烘干(可由Hoechst公司买到的AZ1370)。之后，对光掩模图形曝光和光化学显影，制成下布线102用的光刻胶图形，之后，显腐蚀Au/Cr淀积膜，制成有规定形状的下层布线102。
(步骤B)
用RT溅射形成厚1.0μm的氧化硅膜作层间绝缘膜104。
(步骤C)
制备用于在步骤B中淀积的氧化硅膜中制造接触孔105的光刻胶图形，用该光刻胶图形作掩模。腐蚀层间绝缘层104，则有效构成接触孔105。腐蚀可用CF4和H2气的R2E技术(反应离子腐蚀技术)。
(步骤D)
之后，形成一对器件电极2和3及器件电极之间的间隔G的光刻胶图形(可从日立化学株式会社买到的RD-2000N-41)，之后，用真空淀积法在其上依次形成厚度分别为5nm和100nm的Ti和Ni膜。光刻胶图形溶于有机溶剂中，用去除法处理Ni/Ti淀积膜，制成相互间隙之3μm其宽度为300μm的一对器件电极2和3。
(步骤E)
在器件电极2和3上制备上层的布线103用的光刻胶图形，并用真空淀积法依次淀积厚度分别为5nm和500nm的Ti和Au膜。用去除法除去不需要的光刻胶部分，制成有规定形状的上层布线103。
(步骤F)
之后，用真空淀积法形成厚度为300nm的Cr膜106，并用有相当于导电膜4的形状的开口的掩模刻图，制成有规定形状的图形。用钯的胺盐铬合物溶液(能从Okuno制药有限公司买到的ocp423)用旋涂法加到Cr膜上，并在300℃烘烤12分钟，制成PdO细颗粒构成的导电薄膜107，膜厚为70nm。
(步骤G)
用湿腐蚀用腐蚀剂除去Cr膜106和PdO细颗粒构成的导电膜107的不需要部分，制成有规定形状的图形。导电薄膜4的电阻值为Rs＝4×104欧/方。
(步骤H)
除接触孔105之外，整个表面上加光刻胶，构成光刻胶图形，并依次淀积厚度分别为5nm和500nm的Ti和Au膜。之后，用去除法去除不需要的部分，掩埋接触孔。
之后，用制成的电子源制备图像显示装置。
再看图4，电子源衬底31固定到后背板41上后，在面板46与后背板41之间放置支承架42，面板46是在玻璃衬底43的内表面上放置荧光膜44和金属基底45而制成的，在面板46，支承架42和后背板41的接触部分加熔融玻璃，并在400℃在大气中烘烤10分钟，制成密封容器。并用熔融玻璃将衬底31固定到后背板41上。衬底31与面板46之间的间隔为5mm。
若装置只显示黑白图像，则荧光膜41只由荧光体构成。本例中的荧光膜44是在第1位置中形成黑带并用三厚色的条形荧光体填中黑带间的间隙而制成的。黑带是用以石墨为主要成分的普通材料制成的。用涂浆技术将荧光材料加到玻璃衬底43上。
荧光膜44的内表面上设置金属基底45。制成荧光膜44后，用光滑处理(通常称作“镀膜”)在荧光膜44的内表面上制备金属基底45，之后，在其上用真空淀积形成铝膜。
为提高荧光膜44的电导率，在荧光膜44的外边上的面板46上设置透明电极，本例中由于设置了导电率足够大的金属基底45，因此没用这种透明电极。
在上述的粘接操作中，为确保彩色发光体122与电子发射器件104之间的位置精确地一致，必须使构件精确地对准。
如图6所示，图像形成装置连接到真空系统系统用抽气管对真空室抽真空，使其内部压强下降到约10-4Pa。之后，将y方向布线33连接到按X方向一行接一行排列的基底上的公共电极71，进行激励赋能处理。用其脉冲宽度为1ms脉冲间隔为10ms的三角形脉冲电压。电压的脉冲波高逐渐增大。
所有的行经过激励赋能处理后进行激活处理。
本处理中，正己烷引入真空外壳内至压强升到2.7×10-Pa为止。给器件加脉冲电压进行激活，脉冲电压的宽度和脉冲间隔都与激励赋能用的脉冲电压相同，并观察器件电流If与发射电流Ie。脉冲波高固定到15V。
激活处理后进行稳定处理。真空外壳再抽真空使其内部压强降到1×10-8Pa，并如图13所示用加热器131加热整个外壳48。
抽气管132下流的最近处连接四极质谱仪，观察残留气体，没发现正己烷，说明它已完全从真空外壳中排除。
之后，进行气体输入处理。更具体地说，真空外壳中引入甲烷，直至压强升到2×10-4Pa为止。
注意，为简化而在图13中省略了布线。
之后，驱动图像形成装置使其正常而稳定地显示图像。之后，用气体喷灯加热抽气管并熔化使真空外壳密封而结束。用高频加热法加热消气剂(未画)进行消气处理。
[对比例1]
将例1的步骤进行到激活处理。之后，抽气管密封而不引入甲烷时，对真空外壳抽真空并进行稳定处理。之后，用高频加热法加热消气剂(未画)进行消气处理。
(对比例2)
进行到例1的激活处理后，真空外壳抽真空至进行稳定处理。之后，在气体输入处理中引入乙基乙二醇(HOCH2CH2OH)代替甲烷。
甲烷的平均吸附时间为几个纳秒以下的数量级。乙基乙二醇用上述方法测得的平均吸附时间为几十毫秒以上。
用60Hz的驱动频率或16.7ms的驱动周期驱动例1和对比例1和2的装置发光，驱动的时间周期远大于甲烷的平均吸附时间，但稍小于乙基乙二醇的平均吸附时间。金属基底的电位保持在1kV观察到发射电流。
图17是例1和对比例2的观察结果曲线图，暂停加电压10秒钟后再加脉冲电压时，观察到了发射电流。用17(a)表示对比例2的电子发射特性，重新加脉冲电压后Ie立即急剧上升，然后降到正常电平。另一方面，(b)表示例1的特性，加脉冲电压暂停对Ie无影响。这也许是因为乙基乙二醇的平均吸附时间比普通的脉冲间隔长，在暂停加脉冲电压时气体被吸附，当重新加脉冲电压后发射电流立即急剧上升。
不希望出现这种现象，因为这表明荧光显示屏在有时显示暗的图像后又显示的图像时显示屏变化成不希望出现的很亮的亮度。
之后，只给x方向器件行加脉冲电压，以观察图像显示装置。
脉冲电压是脉冲间隔为16.7ms的，波高为15V脉冲宽度在2与8ms之间变化的矩形脉冲，用它观察发射电流。例1的装置其发射电流与脉冲宽度无关而为一恒定电平，对比例2的发射电流当脉冲宽度变大时下降。
之后，给每个图像形成装置加脉冲间隔为16.7ms，脉冲宽度为30μsec的三角形脉冲电压观察其Vf-If关系，以观察其发射电流。最初选择波高15V，随后降到10V。例1的装置对两个波高的Vf 0 If关系无任何变化，对比例2的器件电流和发射电流当波高从15V转换到10V后逐渐升高，使其电性能变化。
之后，加到同一器件行的Vf从0伏上升到15V扫描时间为10秒，观察装置的电性能。如图20所示，例1的装置显示出MI特性，与实验条件无关；用三角形脉冲电压上述实验有相同结果，而对比例2进行相应的实验，其If-Vf关系显示出VCNR特性。
[例2]和[对比例3]
进行例1中相同的步骤，只是引入的甲烷的分压强不同，在2×10-7Pa到5×10-3Pa范围内变化。
[例4]
进行例1中同样的步骤，只是引入的甲烷的分压强设定为1×10-3Pa，再引入氢气，至真空外壳内的总压强为5×10-3Pa为止。
像例1一样观察Ie，观察开始1小时后所获得的Ie值与图10所示的类似结果比较，发现甲烷的分压强为1×10-6Pa到1×10-3Pa之间时图像形成装置有所需的特性。
例1、和2和对比例1和3的Ie随时间的变化也展示于图1中，其中甲烷的分压强是a为1×10-3Pa，b为1×10-4Pa，c为1×10-5Pa，d为1×10-6Pa，e为2×10-7Pa，f是无甲烷。
另一方面，有甲烷分压强5×10-3Pa的对比例3的装置和所含甲烷与氦气的总压强为5×10-3Pa的对比例4的装置，所加脉冲电压达到1kV这前开始出现放电，金属基底的电位上升，变成完全不显示图像。当阳极电位升到5kV时，剩下的装置中不放电。
从上述观察中可以认为当甲烷的分压强低于10-6Pa时装置的Ie迅速变坏，所以甲烷的分压强保持在10-6Pa以上。甲烷分压强在10-4Pa与1×10-3Pa之间时没发现明显变坏，因此在该范围内的甲烷分压强是最合适的。
但是，应注意，当总压强超过1×10-3Pa时，阳极电压绝不能升高。
[例3]和[对比例5]
进行例1的制造步骤，只是用甲烷和氢的混合气体代替甲烷，真空室的内部压强保持在1×10-4Pa。选择混合气体中的不同甲烷含量，含量范围是0.2到50mol％。
像例1一样观察发射电流Ie，将开始观察后1小时所获得的Ie值与图18所示的相同结果对比。(用100％表示例2的值)。
发现，甲烷的分压强大于1×10-6Pa，或甲烷含量大于1％时，装置的Ie特性不出现任何损坏。当甲烷含量低于0.5mol％或甲烷分压强低于5×10-7Pa时，性能显著变坏。
本例中制成的装置其甲烷含量为50mol％(或甲烷分压强为5×10-5Pa)的装置的观察结果与例2中用甲烷分压强为5×10-5Pa获得的对比图对比。例2的电子发射效率，或发射电流Ie与器件电流If之比Ie/If为0.10％，例2的Ie/If为0.12％。可以确切地断定，形成了无助于电子发射的电流路径。若例2的图像形成装置的真空外壳中引入的气体有机物少，对电子发射毫无益处的电流路径变窄，为了改善电子发射效率。例3的真空外壳中引入氢气使气氛中的氢原子团数量增加，由此，使其腐蚀作用增大。
[例4]和[对比例6]
进行例1和2和对比例3的制造步骤，制成各个图像形成装置，只是用分子中有双键的乙烯C2H4取代甲烷。如上所述，由于乙烯的平均吸附时间确定为几十至100ns，就60Hz的驱动电压而言，它大大小于16.7ms的驱动周期。
例1和2和对比例3的测试结果基本相同。当乙烯的分压强在1×10-6Pa与1×10-3Pa之间时，最好在1×10-4Pa以上时，制备的装置能有效地工作。
[例5]
进行例1的制造步骤，只是用分子中有三个键的乙炔代替甲烷，乙炔的分压强为5×10-5Pa。由于乙炔的平均吸附时间如上所述为几百纳秒至1微秒，对60Hz的驱动电压而言，它远小于驱动周期16.7毫秒。
测试结果与对比例1的结果基本相同，制成的图像形成装置能有效抑制性能变坏。
[例6]
进行例1的制造步骤，只是用分子中有三个键的丁二炔C4H2取代甲烷。图10中L大小，因此，用上述方法测试时不能确定τ值。因此，认为τ远小于毫秒。显然，对60Hz的驱动电压而言，它比16.7毫秒的驱动周期小很多。
测试结果基本上与例1相同，所制成的图像形成装置能有效抑制性能变坏。
[例7]
进行例1的制造步骤，只是激活处理中用甲烷代替正己烷。用1300Pa的压强。加波高为15V的脉冲电压，像图1一样。
激活处理后，真空外壳抽真空至压强低于1×10-8Pa。用比例1中用正己烷进行激活处理的相应时间短的时间进行抽真空处理。之后，用甲烷使其压强与例1和2的压强相同，进行气体输入处理。
观察发射电流Ie，其变化与例1和2所观察到的结果相同。
正如以上详细说明的，将平均吸附时间短于电子发射器件的驱动周期的气体有机物封入图像形成装置的真空外壳内，图像形成装置的很大优点是它根据器件电压Vf有明确确定的器件电流If和发射电流Ie的要求稳定的MI特性。有机物的分压强最好大于1×10-6Pa，大于1×10-4Pa更好，真空外壳的总内部压强应不大于1×10-3Pa。
只要氢与有机物一起封入，就能更好地改善图像形成装置的电子发射性能。

Claims (21)

1、一种图像形成装置，包括：在衬底上的一个以上的电子发射器件构成的电子源，每个电子发射器件有一对相对设置的器件电极，与一对器件电极连接的导电膜，和在一部分导电膜中构成的电子发射区；电子发射区上及其周围有以碳或碳化合物为主要成分的碳膜；和图像形成元件，当用从电子源发射的电子束辐照时，发射光产生图像，电子源和图像形成元件置于真空外壳内，其特征是，真空外壳内存在的有机物的分压强大于1×10-6Pa，真空外壳内的总压强小于1×10-3Pa，选择有机物的条件是，其平均吸附时间短于电子发射器件的驱动周期。
2、按权利要求1的图像形成装置，其特征在于，有机物的分压强不小于1×10-4Pa。
3、按权利要求1的图像形成装置，其特征是，真空外壳内存在附加到有机物中的氢气。
4、按权利要求1至3中任一项的图像形成装置，其特征是，有机物是甲烷，乙烯，乙炔或丁二炔。
5、一种图像形成装置的制造方法，所述装置包括：在衬底上的一个以上电子发射器件构成的电子源，每个电子发射器件有一对相对设置的器件电极，连接到一对器件电极的导电膜，和导电膜一部分中形成的电子发射区，电子发射区上及其周围形成有以碳或碳化合物为主要成分的碳膜，和图像形成元件；当用由电子源发射的电子束辐照时，发射光形成图像；电子源和图像形成元件置于真空外壳内，其特征在于上述方法包括以下步骤：形成所述电子发射区的激励赋能步骤；真空外壳内引入有机物并对器件加脉冲电压，在每个电子发射器件的电子发射区上及其周围淀积形成以碳或碳化合物为主要成分的碳膜用的激活步骤；稳定步骤，在激活步骤后除去真空外壳内残留的有机物；和气体输入步骤，引入平均吸附时间短于电子发射器件驱动周期的有机物，或有机物气体与氢气的混合物，所引入的平均吸附时间短于电子发射器件驱动周期的有机物的分压强大于1×10-6Pa，真空外壳内的总压强不大于1×10-3Pa，其平均吸附时间长于电子发射器件的驱动周期的有机物的分压强保持在不大于1.0×10-6Pa。
6、按权利要求5的图像形成装置的制造方法，其特征是，在稳定步骤中，真空外壳内部压强保持不超过1×10-6Pa。
7、按权利要求5的图像形成装置的制造方法，其特征是激活处理步骤与气体输入步骤中引入真空外壳内的有机物相同。
8、按权利要求5的图像形成装置的制造方法，其特征是，其平均吸附时间短于电子发射器件的驱动周期的有机物是甲烷、乙烯、乙炔或丁二炔。
9、一种图象形成装置(47)，包括：
a)一个密封外壳(41-43)，它包括一个电子发射器件(34)，所述电子发射器件具有一层包括以碳或碳化合物为主要成分的碳膜(6)，以及
b)一个电压施加装置，用于向所述电子发射器件施加电压；
其中，所述密封外壳内部气体总压强小于1×10-3Pa，
所述内部气体包括甲烷，其分压强大于1×10-6Pa，在所述密封外壳内除了甲烷之外的有机物质的分压强小于1×10-6Pa，以及
该电压施加装置以大于4.35×10-10秒的间隔向所述电子发射器件施加电压
10.一种图象形成装置(47)，包括：
a)一个密封外壳(41-43)，它包括一个电子发射器件(34)，所述电子发射器件具有一层包括以碳或碳化合物为主要成分的碳膜(6)，以及
b)一个电压施加装置，用于向所述电子发射器件施加电压；
其中，所述密封外壳内部气体总压强小于1×10-3Pa，所述内部气体包括乙烯，其分压强大于1×10-6Pa，在所述密封外壳内除了乙烯之外的有机物质的分压强小于1×10-6Pa，以及
该电压施加装置以大于6.60×10-8秒的间隔向所述电子发射器件施加电压且所述乙烯的分压强大于1×10-6Pa。
11.一种图象形成装置(47)，包括：
a)一个密封外壳(41-43)，它包括一个电子发射器件(34)，所述电子发射器件具有一层包括以碳或碳化合物为主要成分的碳膜(6)，以及
b)一个电压施加装置，用于向所述电子发射器件施加电压；
其中，所述密封外壳内部气体总压强小于1×10-3Pa，所述内部气体包括乙炔，其分压强大于1×10-6Pa，在所述密封外壳内除了乙炔之外的有机物质的分压强小于1×10-6Pa，以及
该电压施加装置以大于3.57×10-7秒的间隔向所述电子发射器件施加电压且所述乙炔的分压强大于1×10-6Pa。
12、按权利要求9至11中的任何一项所述的图象形成装置，其中所述内部气体还包括氢。
13、按权利要求9至11中的任何一项所述的图象形成装置，其中所述装置还包括用于加速从上述电子发射器件发射的电子的加速电极。
14、按权利要求13的图象形成装置，其中，在所述加速电极上设置一个荧光体。
15、按权利要求14的图象形成装置，其中，所述的荧光体借助从所述的电子发射器件发射电子的辐射，发射出三种原颜色的光。
16、按权利要求9至11中任何一项的图象形成装置，其中，所述的电子发射器件还包括一对相对布置的器件电极，与该对电极连接导电膜，和在一部分导电膜中构成的电子发射区；电子发射区上及其周围有以碳或碳化合物为主要成分的所述碳膜。
17、按权利要求9至11中任何一项的图象形成装置，其中，所述密封外壳包含多个电子发射器件。
18、按权利要求17的图象形成装置，其中，所述的多个电子发射器件连接到多个行方向布线和连接到与所述行方向布线相交的多个列方向布线。
19、一种图象形成装置的制造方法，包括的步骤为：
a)在一个外壳内设置一个电子发射器件，所述电子发射器件具有一层包括碳或碳化合物的碳膜；
b)将所述外壳抽真空，使其有机物的分压强为小于1×10-6Pa；
c)向所述外壳内引进甲烷，使所述有机物的分压强大于1×10-6pa。
d)将所述电子发射器件电气连接到一个以一个大于4.35×10-10秒的间隔施加电压的电压施加装置。
20、一种图象形成装置的制造方法，包括的步骤为：
a)在一个外壳内设置一个电子发射器件，所述电子发射器件具有一层包括碳或碳化合物的碳膜；
b)将所述外壳抽真空，使其有机物的分压强为小于1×10-6Pa；
c)向所述外壳内引进乙烯，使所述有机物的分压强大于1×10-6pa。
d)将所述电子发射器件电气连接到一个以一个大于6.60×10-8秒的间隔施加电压的电压施加装置。
21、一种图象形成装置的制造方法，包括的步骤为：
a)在一个外壳内设置一个电子发射器件，所述电子发射器件具有一层包括碳或碳化合物的碳膜；
b)将所述外壳抽真空，使其有机物的分压强为小于1×10-6pa；
c)向所述外壳内引进乙炔，使所述有机物的分压强大于1×10-6pa。
d)将所述电子发射器件电气连接到一个以一个大于3.57×10-7秒的间隔施加电压的电压施加装置。
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