CN1310462A - 电子发射器件、电子源及使用这种器件的图象形成装置及其制造方法 - Google Patents

电子发射器件、电子源及使用这种器件的图象形成装置及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种电子发射器件包括设在电极间的具有电子发射区的导电膜,该导电膜具有在电子发射区内形成的并且主要由熔点高于导电膜材料的一种材料制成的膜。另一方案是,制成该膜的主要材料产生1.3×10－3Pa蒸汽压时的温度比导电膜的材料产生上述蒸汽压时的温度要高。一种电子发射器件的制造方法包括在导电膜的电子发射区中形成一个主要由一种金属构成的膜的步骤。一种图象形成装置包括在工作时具有高亮度和良好稳定性的电子发射器件。

Description

电子发射器件、电子源及使用这种 器件的图象形成装置及其制造方法
本发明涉及一种电子发射器件，具体地说涉及一种长时间维持稳定的电子发射器件、使用这种电子发射器件的电子源，图象形成装置，例如使用这种电子源的显示装置和曝光装置，以及制造电子发射器件、电子源和图象形成装置的方法。
过去有两种主要类型的电子发射器件，即热阴极型电子发射器件和冷阴极型电子发射器件。冷阴极型电子发射器件包括场发射型(以后简称为FE)，金属/绝缘层/金属层型(以后简称为MIM)以及面传导型等。
FE电子发射器件的例子在W.P·Dyke和W.W.Dolan的“场发射”(“Field emission”),Advance in Electron Physics,8,89(1956)以及C.A.Spindt,“Physical Properties of thin-filmfield emission Cathodes with mslybdenum cones”,J.Appl.Phys.,47,5248(1976)中描述过。
MIM电子发射器件的一个例子在C.A.Mead,“Operationof Tumel-Emission Devices”,J.Appl.Phys.,32,646(1961)中描述过。
面传导型电子发射器件的一个例子在M.I.Elinson,RadioEng.Electron Phys.,10,1290,(1965)中描述过。
面传导型电子发射器件是根据这种现象工作的，即当在基片上形成一个小面积的薄膜并在平行于膜表面施加一电流时，则从表面发射电子。关于这种面传导电子发射器件，作为例子，已被报道过的有由上面引用的Elinson使用SnO2薄膜的一种，使用Au薄膜的一种〔G.Dittmer:Thin Solid Films,9,317(1972)〕，使用InO3/SnO2薄膜的一种〔M.Hartwell and C.G.Fonstad:“IEEETrans.Eo Conf.”519(1975〕，以及使用碳薄膜的一种〔HisashiAraki et al.:Vacuum,Vol.26,NO.1,22(1983)〕。
作为这些面传导型电子发射器件的典型例子，图20示意地示出了在上述论文中由M.Hartwell等人提出的器件结构。在图20中，标号1表示基片(以后称为“基板”),4是导电薄膜，由溅射成H形的金属氧化薄膜制成，其中借助于称作激发成形的激发处理(下文说明)形成电子发射区5。附带说明，在相对的器件电极之间的间距L为0.5-1mm，导电薄膜的宽度W为0.1mm。
在这种表面传导电子发射器件中，过去一直是，在开始发射电子之前，预先借助于称作激发成形的激发处理形成电子发射区5。术语“激发成形”指的是在导电薄膜4上施加直流电压或以大约1V/分钟的非常慢的速度逐渐增加的电压，从而使其局部破坏、变形或改变其性质，从而形成已经转变成高电阻状态的电子发射区5。对于电子发射区5来说，在导电薄膜4的一部分中形成电子发射区，并且从电子发射区附近发射电子。
因为上述的面传导电子发射器件结构简单，并可以相当容易地以高密度大量地形成，期望把它应用于图象形成装置之类的装置中。如果稳定的电子发射能继续长的时间，并且电子发射的特性和效率得以改善，就可以在使用荧光膜作为图象形成构件的图象形成装置中，实现低电流、明亮的高质量的装置，例如扁的TV装置。此外，由于降低了所需的电流，就可以降低驱动电路之类的构成图象形成装置的成本。
然而上述的由M.Hartwell提出的电子发射器件在稳定的电子发射特性和效率方面并不是满意的。因而，在现有技术的情况下就很难利用这种电子发射器件提供具有高亮度和良好稳定性的图象形成装置。
由上述要解决的技术问题看来，本发明的目的在于提供一种电子发射器件，它具有稳定的电子发射特性，还具有改善的电子发射效率。本发明的另一个目的在于提供一种电子发射器件，它在工作时具有高的亮度和优良的稳定性。
为实现上述目的，本发明的特征在于下列方面：
按照本发明的一个方面，提供一种电子发射器件，包括在电极之间的具有电子发射区的导电膜，其中导电膜具有在电子发射区中形成的一种膜，它主要由具有比导电膜的熔点较高的材料制成。
按照本发明的另一个方面，提供一种电子发射器件，它包括在电极之间的具有电子发射区的导电膜，其中的导电膜具有在电子发射区形成的一种膜，它主要由这样的材料制成，这种材料产生1.3×10-3Pa的蒸汽压力的温度比导电膜的材料产生同样蒸汽压力的温度较高。
按照本发明的另一个方面，提供一种电子发射器件的制造方法，电子发射器件包括在两个电极之间的具有电子发射区的导电膜，其中所述方法包括在导电膜的电子发射区中形成一种主要由金属材料制成的膜的步骤。
按照本发明的另一方面，提供一种包括在基板上排成阵列的大量的电子发射器件的电子源，包括这种电子源的一种图象形成装置以及制造电子源和图象形成装置的方法。
图1A和1B是示意图，表示本发明的电子发射器件的一种示例性的结构。
图2是示意图，表示本发明的电子发射器件的另一种示例性的结构。
图3A和3D是说明本发明制造步骤的示意图。
图4A和4B是表明在本发明的制造过程中使用的三角波的波形的图。
图5示意在表示在本发明的制造步骤中使用的并为了改善特性的真空处理装置。
图6是本发明的电子发射器件的电子发射特性图。
图7是说明本发明的电子源的矩阵连线图。
图8是局部剖开的透视图，示意地说明使用矩阵接线型的电子源的图象形成装置。
图9A、9B是说明荧光物质膜排列的示意图。
图10是说明使用矩阵连线型电子源的图象形成装置的驱动方法的方块图。
图11A、11B是在本发明的制造过程中使用的并为了改善特性的矩形脉冲的波形图。
图12是在本发明的制造方法中使用的电解质的涂镀设备图。
图13A至13C是示意图，说明电子发射区裂缝和主要由本发明的电子发射器件中的材料制成的镀膜的排列。
图14A至14H是截面图，说明矩阵连线型的电子源的制造过程。
图15说明为成形处理所进行的在矩阵连线型的电子源的制造过程中使用的电连接。
图16是在本发明的图象形成装置的制造过程中使用的真空处理设备。
图17是使用本发明的图象形成装置的一个系统结构方块图。
图18A至18C说明梯形接线型的电子源的制造过程。
图19是局部剖开的透视图，示意地表示使用梯形接线型的电子源的图象形成装置。
图20是由M.Hartwell等人提出的现有技术的结构示意图。
图21是梯形接线型电子源的排列示意图。
上述的现有技术中的面传导电子发射器件不能实现足够的电子发射稳定性的一个原因在于电子发射区的微结构形状的改变，这种改变是电流流过电子发射器件时产生的热引起的，所产生的热使构成面向缝隙的导电薄膜端部的材料由于升华而损失，或使导电薄膜局部熔化或变形。
为解决这个问题，在本发明中，在包含在导电薄膜中形成的缝隙的电子发射区内形成一层镀膜，其材料主要由不同于电子发射区内的导电薄膜的金属构成。为了防止在电子发射区内的导电薄膜由于局部熔化而变形或由于升华而损失，镀膜的金属材料要求具有比电子发射区内的导电薄膜的材料较高的熔点，或具有比电子发射区内的导电薄膜的材料较高的温度，在此温度下，它们产生的蒸汽压高于器件被实际驱动时的真空气压，一般为1.3×10-3Pa(接近10-5托)。即使在金属状态下任何条件都不满足的情况下，也能期望得到类似的优点，例如，如果在表面上形成氧化物层，并且该氧化物满足任何条件的话。在申请人已经发现，面传导电子发射器件的电子发射区在高电位侧比在低电位侧消耗的速率较高，因此，要求镀膜至少覆盖面向电子发射区缝隙的位于高电位侧的导电薄膜的一端，最好也能覆盖在高电位侧的导电薄膜的一端。此外，本发明也包括这样的结构，使得镀膜覆盖住导电薄膜上从其面向裂缝的端部向着器件电极延伸的并接近缝隙的导电薄膜的面积。
图1A、1B分别为表示本发明的平面型面传导电子发射器件的结构的示意的平面图和截面图。
在图1A和1B中，1代表基板，2和3是器件电极，4是导电薄膜，5是电子发射区，6是用较高熔点金属制成的前述的镀膜，基板1可以用任何种类的玻璃制成，例如石英玻璃，含少量杂质例如Na的玻璃，碱石灰玻璃，以及通过溅射使在碱石灰玻璃上具有SiO2迭层的玻璃或陶瓷例如氧化铝。
器件电极2、3彼此相对，可用任何惯用的导电材料制成。例如可从Ni、Cr、Au、Mo、W.Pt、Ti、Al、Cu和Pd或其合金中选择作为器件电极的材料，印刷导体包括：金属，例如Pd,Ag,Au,RuO2，以及Pd-Ag或其氧化物，玻璃等，透明导体例如In2O3-SnO3，以及半导体例如多晶硅。
器件电极之间的间距L，每个器件电极的长度W，导电薄膜4的形状等根据应用形式和其它条件确定。考虑到器件电极之间施加电压的大小，能够发射电子的电通量密度等因素，器件电极之间的间距L的范围最好在几十nm到几百μm之间，在几μm至几十μm之间更好。
考虑到器件电极之间的电阻值以及电子发射特性，每个器件电极的宽度可以设定为几μm到几百μm的范围内。器件电极2、3的膜厚可设定在几十nm到几μm的范围内。
除图1A和1B所示的结构之外，面传导电子发射器件也可以通过在基板1上依次层迭上导电薄膜4和彼此相对的器件电极2、3构成。
为了提供良好的电子发射特性，最好导电薄膜4由用细微粒制成的细微粒膜制成。导电薄膜4的厚度设定应考虑对器件电极2、3的台阶覆盖、器件电极2、3之间的电阻值、成形处理条件(下面说明)等因素。一般地说，膜厚最好在几个0.1nm到几百个nm之间的范围内，更好在1nm到50nm的范围内。此外，导电薄膜4电阻值Rs的范围在102到107Ω/□。注意，Rs根据R=Rs(1/W)确定，其中R是厚度为t的，宽度为W长度为1的薄膜的电阻。虽然在本说明中对成形处理将以激发处理作为例子进行说明，但进行成形处理的方式并不限于激发，还包括其它的能够在膜中产生缝隙并形成高阻状态的合适的物理或化学处理。
用于形成导电薄膜4的材料的实际例子包括金属，例如Pd，Pt,Ru,Ag,Au,Ti,In,Gu,Cr,Fe,Zn,Sn以及Pb，氧化物，例如，PdO,SnO2,In2O3,PbO能主Sb3O3硼化物,例如LaB6,CeB6,YB4以及GdB4，碳化物，例如TiC和SiC，氮化物，例如TiN，半导体，例如Si和Ge。
因为本说明中经常出现术语“细微粒”，下面将对此术语的意义进行解释。
小的微粒被称为“细微粒”，比“细微粒”更小的微粒称为“超细微粒”。通常把小于超细微粒并由一百个或更少的原子构成的微粒叫作“原子团”。
不过，由各个术语表示的微粒大小之间的边界并不是严格的，而是根据对微粒进行分类时所考虑的性质而改变的。“细微粒”和“超细微粒”两者经常都被称为“细微粒”，本说明书中就使用这一规则。
“Experimental Physics Lecture 14 Surface.Fine Particle”(Koreo Kino shita编辑，Kyoritsu出版，1981年9月1日)中写道：
当术语“细微粒”用于本文时，它指的是直径大约为2-3μm到10nm范围内的微粒，术语“超细微粒”则指的是微粒大小约在10nm至2-3nm范围内的微粒。两各微粒通常简称为“细微粒”，并且上述的范围不是严格的，而应当理解为一种指标。当构成微粒的原子数为2到几十到几百的数量级时，微粒被称为原子团〔(195页，PP.22-26)〕。
此外，根据在New Technology Development OperationGroup of Japan中由“Hayashi.Ultra Fine Partide Project”下的“超细微粒”的定义，其大小的下限小于上面所述的，具体如下：
在“Ultra Fine Particle Project”(1981-1986)中，按照Creative Science＆Technology Promotion System，我们决定把微粒大小(直径)在大约为1到100nm范围内的微粒称为“超细微粒”。根据这一定义，一个超细微粒是一种大约为100到108个原子的原子团粒。从原子的大小看来，超细微粒是一种大的或超大的颗粒“(“Ultra Fine Particle-Creative Science＆Technology-”,Chikara Hayashi,Ryoji Veda以及Akira Tasaki编辑，Mita出版，1988，第2页，PP.1至4)；并且“小于超细微粒的微粒，就是说由几个到几百个原子组成的微粒通常称为“原子团”(Ibid.第2页，PP.12到13)。
由上面使用的措辞看来，在本说明书中使用的术语“细微粒”指的是若干个原子与/或分子的集合，其微粒大小的下限大约为0.1nm到1nm，上限大约为几μm。
电子发射区5由在部分的导电薄膜4中形成的高阻缝隙构成，并根据导电薄膜4的厚度、性质和材料以及激发成形(下文说明)等形成。电子发射裂缝5可以由微粒大小在几个0.1nm到几十个nm范围内的导电的细微粒制成。导电的细微粒包含构成导电薄膜4的材料的部分或全部元素。电子发射缝隙5包括由较高熔点的材料制成的镀膜6。
现在说明台阶型面传导电子发射器件。
图2是一个示意图，表示台阶型面传导电子发射器件的一种结构的例子，也可以作为本发明的面传导电子发射器件。
在图2中，和图1A、1B相同的部分用相同的标号表示。7表示台阶形成部分。基板1、器件电极2、3、导电薄膜4以及电子发射缝隙5可用上述的平面型面传导电子发射器件中使用的相同材料制成。台阶部分7由电绝缘材料例如SiO2通过真空蒸汽淀积、印刷、溅射或类似的工艺制成。台阶形成部分7的膜厚相应于上述的平面型面传导电子发射器件中的器件电极之间的间距L，因而，其范围为从几十nm到几十μm。虽然台阶形成部分7的膜厚是考虑台阶形成部分的制造过程、施加到器件电极之间的电压、能够发射电子的电通量密度等因素而设计的，但其范围最好在几十nm到几μm之内。
在器件电极2、3和台阶形成部分7已经形成之后，在器件电极2、3上层迭导电薄膜4。虽然在图2中所示的电子发射缝隙5在台阶形成部分7中是一直线，但电子发射缝隙5的形状和位置取决于制造条件、成形条件等，因而并不限于图中所示的样子。
虽然上述的面传导电子发射器件可用不同的方法制造，但在图3A至3D中还是给出了制造方法的一个例子。
参照图1A、1B和3A到3D，现在说明一种制造方法的连续的步骤。在图3A至图3D中，和图1A、1B中相同的标号表示相同的部分。
1)基板1用洗涤剂、纯水和有机溶剂充分清洗。然后通过真空蒸汽淀积、溅射或类似工艺在基片上淀积器件电极材料。在此之后，淀积的材料例如利用光刻成形，从而在基板1上形成器件电极2、3(图3A)。
2)在包括形成有器件电极2、3的基板1上，涂上有机金属溶液，从而形成有机金属薄膜。含有导电薄膜4的金属材料的有机金属化合物的溶液可作为有机金属溶液。有机金属薄膜被加热，以便煅烧金属使其成为氧化物，然后通过去除、刻蚀或类似工艺形成导电薄膜4(图3B)。虽然有机金属熔液被涂在基板1上，但导电薄膜不仅可由简单的涂抹形成，而且可通过真空蒸汽淀积、溅射、化学蒸汽淀积、分散涂覆、浸渍、旋转涂覆等形成。
3)接下来进行称作成形的激发处理。当由电源(未示出)在器件电极2、3之间施加电压时，在导电薄膜4的一部分中便形成电子发射缝隙5(图3C)。用于激发成形的电压波形的例子如图4A、4B所示。
电压波形最好是脉冲形的，可以施加连续的具有恒定峰值的电压脉冲进行激发成形(图4A)，或施加其峰值逐渐增加的电压脉冲(图4B)。
在图4A中，T1和T2分别代表电压脉冲的脉宽和脉冲间隔。通常T1的范围为1μsec.到10msec.，T2的范围为10μsec.到100msec.。三角波的峰值(即在激发成形期间的峰值电压)根据面传导电子发射器件的类型合适地选择。在这些条件下，在合适的真空度下，施加电压几秒钟到几十分钟的时间。脉冲波形不限于三角波，而是可以具有任何所需的形状，例如矩形波。
在图4B所示的方法中，T1、T2可设定为和图4A的方法相同的值。三角波的峰值(即在激发期间的峰值电压)例如以每个脉冲0.1V的速率逐渐增加。
激发成形完成的时间可由施加一个电压来检测。所施加电压的值这样选择，使得不会使导电薄膜4发生局部破坏和变形，并且在脉冲间隔T2测量器件电流。例如，施加大约为0.1V的电压，测量产生的器件电流以便确定电阻值。当电阻值超过1MΩ时，激发成形就完成了。
4)然后，形成由具有较高熔点的材料制成的涂膜。涂膜的材料最好是属于Ⅳa、Ⅴa、Ⅵa、Ⅶa以及Ⅷa族中的第五第六周期中的单金属或合金，或其混合物，因为它们有较高的熔点。更具体地说，在单金属中Nb,Mo,Ru,Hf,Ta,W,Re,Os和Ir具有不低于2000℃的熔点，因此，最好用作这种材料，Zr和Rh也是可用的，因为其熔点接近2000℃。举例来说，对于用来形成导电薄膜的Pd而言，产生1.3×10-3Pa(10-5托)的蒸气压的温度为1370K而W为2840K,Ta为2680K,Re为2650K,Os为2600K,Nb为2390K等等。因而这些元素都可被较好地使用。具体地说，W是较好的材料，因为在这些材料当中它具有3380℃的最高的熔点。此外，属于第四周期的Ni作为单金属具有1453℃的熔点，低于Pd的1554℃，但是通过加入大约10％原子的W形成的Ni合金则具有上升到1500℃或更高的熔点。此外，当在合金表面形成氧化物层时，熔点升高到2000℃，并且由电场引起的蒸发速率极大地减少。因此，Ni也对防止电子发射区的损耗有极好的效果。
因为仅在电子发射区附近形成涂膜，使得使用任何薄膜淀积工艺是简单的，用这种工艺，通过在器件电极之间施加电压来淀积薄膜。尤其是可以使用对器件电极之间施加电压的工艺并通过电解液电镀或化学蒸汽生成形成镀膜，通过化学蒸汽生成，在含有要被涂覆的金属化合物的环境中在器件电极之间施加电压，从而使化合物分解，淀积成金属膜而形成镀膜。
而电镀过程中使用的电镀槽包括例如含Na2WO4和NiSO4的柠檬酸-氨槽以及用来形成Ni薄膜的镍磺基水杨酸盐电镀槽。用来形成化学蒸汽生成中的环境的金属化合物包括例如金属卤化物如氟化物、氯化物、硼化物和碘化物，金属烷基盐如甲醇金属、乙醇盐以及苯甲基盐，金属β-二酮盐和乙基丙酮盐，二甲烷盐，以及六氟乙基丙酮盐，金属烯炔(enyl)络合物如烯丙基络合物以及环戊乙二烯基络合物，芳烃络合物如苯络合物，金属碳酰，金属醇盐以及和上述任何物质结合的化合物。
从需要淀积上述的高熔点材料看来，本发明中使用的最佳化合物的例子包括NbF5,NbCl5,Nb(C5H5)(CO)4,Nb(C5b5)2Cl2,OsSF4,Os(C3H7O2)3,Os(CO)5,Os3(CO)12,Os(C5H5)2,ReF5,ReCl5,Re(CO)10,ReCl(CO)5,Re(CH3)(CO)5,Re(C5H5)(CO)3,Ta(C5H5)(CO)4,Ta(OC2H5)5,Ta(C5H5)2Cl2,Ta(C5H5)2H3,WF6,W(CO)6,W(C5H5)2Cl2,W(C5H5)2H2,W(CH3)6等。根据条件，除被涂覆的金属之外的其它物质，例如碳可以包含在镀膜内。
在这处理中，镀膜的结晶可通过和金属化合物一道引入具有侵蚀能力的物质例如氢进行控制。也可以通过把器件进行加热控制镀膜的形状和其它方面，这些控制根据条件进行。
当镀膜随处理的进程被形成时，流过器件电极之间的电流被增加。相应地，通过测量电流值确定处理应结束的时刻。决定处理是否结束的条件根据处理方式，器件形状诸因素合适地确定。
在完成处理之后，对器件进行清洗。尤其是在使用电镀处理的情况下，器件用水或类似物质进行清洗，然后进行干燥。在使用化学蒸汽生成的情况下，金属化合物被从真空处理设备中抽出，从而产生一个清洁的真空环境，与此同时，把器件与/或真空处理设备进行加热到合适温度，如果需要，使器件在清洁的真空环境中保留一段时间。
由上述处理形成的镀膜可以是由细微粒稠密地排列而形成的膜。在这种情况下，细微粒的大小大约在30到100nm的范围内，虽然微粒大小根据在处理与/或探测期间施加到器件上的电压而改变。
下面参照图5、图6说明本发明的根据上述步骤制造的电子发射器件的基本特性。
图5是作为例子的真空处理设备的示意图，它用作测量/计算设备。在图5中，和图1A,1B中相同的标号表示相同的部分。参看图5，其中15是真空容器，16是真空泵。电子发射器件被放在真空容器15中，电子发射器件包括基板1，在其上构成电子发射器件，器件电极2,3，导电薄膜4及电子发射缝隙5。虽然没有示出，但由较高熔点的材料制成的镀膜被镀在内部并靠近缝隙。此外，11是供给电子发射器件器件电压Vf的电源，10是安培表，当器件电流在器件电极2,3之间流过导电薄膜4时，用来测量器件电流，14是阳极，用来捕捉由器件的电子发射区5发出的发射电流Ie。此外，13是为阳极14提供电压的高压电源，12是测量由器件的电子发射区5发出的发射电流Ie的安培表。例如，可以通过加到阳极的电压设定在1KV到10KV的范围内，并把阳极到电子发射器件之间的距离设定在2mm到8mm的范围内进行测量。
真空容器15还具有附带装置(未示出)，例如用来测量真空度的真空计，从而使器件在所需的真空环境下进行测量和计算。真空泵16包括标准的高真空设备系统，其中包括涡轮泵和旋转泵，以及超高真空设备系统，包括离子泵之类。内部放有电子发射器件的整个真空处理设备可以用加热器(未示出)加热到250℃。这样，真空处理设备便可用来进行前述的激发成形之后的步骤。18代表材料源，以安瓿的形式用来存储要被引入真空处理设备的材料。17是用来调节引入的材料量的阀门。
图6所示为由图5的真空处理设备测得的发射电流Ie和器件电压Vf之间的关系。注意图6的曲线是以任意单位表示的，因为发射电流Ie要比器件电流If小得多。纵轴和横轴的标度是线性的。
如图6所示，本发明的面传导电子发射器件就发射电流Ie而言具有下列三个特征。
(ⅰ)在这种电子发射器件中，当器件电压大于某一值时(称为门限电压，图6中的Vth)，发射电流急剧增加，然而当低于门限限电压时，发射电流则不易被检测到。因而，这种器件是非线性器件，对发射电流Ie而言，有一确定的门限电压Vth。
(ⅱ)发射电流Ie根据器件电压Vf呈单调地增加，因而发射电流eI可由器件电压Vf控制。
(ⅲ)被阳极14捕捉到的发射电荷取决于器件电压Vf施加的时间长短。因而，这电荷量可用器件电压Vf施加的时间长短进行控制。
从上所述可以理解，本发明的面传导电子发射器件的电子发射特性可以容易地被输入信号控制。利用这一特点，可以实现各种领域中的应用，包括电子源，图象形成装置等，它们使用大量的电子发射器件的阵列。
此外，在图6中，器件电流If随器件电压Vf单调增加(以后称MI特性)。器件电流If对于器件电压Vf可以呈现电压控制的负阻特性(以后称为VCNR特性)(未示出)。器件电流的这些特性是可以根据条件进行控制的。
按照本发明可以实现的电子发射器件的应用例子现在说明如下。例如，通过在基板上把大量的本发明的面传导电子发射器件排成阵列可以作成电子源或图象形成装置。
可以通过几种方法把这种电子发射器件排列在基板上。
其中的一种方法是，把若干电子发射器件并排地(沿行的方向)进行排列，并在其两端用导线并联起来，从而形成电子发射器件的行，并排成大量的这种电子发射器件的行。控制电极(也叫栅极)置于电子发射器件的上方，处于垂直行引线的方向(称为列方向)，用于控制电子发射器件的电子发射。这是一种梯形连线型的电子源。另一种方法是，若干电子发射器件沿X方向和Y方向排成矩阵。处于同一行中的二个以上的电子发射器件的一些相对电极共同连接于一个X方向连线，而处于同一列中的二个以上的电子发射器件的其它相对电极共同连接于一个Y方向连线。这是一种简单矩阵连线型电子源。将首先对简单矩阵连线型进行详细说明。
可以应用本发明的面传导电子发射器件具有上述从(ⅰ)到(ⅲ)的特性。换句话说，从每个面传导电子发射器件发出的电子，当施加的电压高于门限值时，根据在彼此相对的器件电极之间施加的脉冲状电压的峰值和宽度进行控制。另一方面，在电压低于门限值时，则几乎不发射电子。根据这些特性，即使有大量的面传导电子发射器件排列时，也能选择一个所需的电子发射器件，并通过对每一相应器件施加一合适的脉冲状电压作为输入信号来控制这一电子发射器件发射的电子数量。
按照上述原理通过排列若干本发明的电子发射器件而构成的电子源基板参照图7说明如下。在图7中，21代表电子源基板，22是X向引线，23是Y向引线，24是面传导电子发射器件，25是连线。其中面传导电子发射器件24可以是平面型或台阶型的。
然后，使用导电材料通过真空淀积、印刷、溅射或类似工艺形成m条X向引线22，由DX1、DX2、…，DXm表示。其中的材料、膜厚以及线宽根据情况合适地设计。此外，Y向引线23由n条线DY1,DY2,…DYn构成，并以和X向引线22相同的方式形成。中间绝缘层(未示出)被插在m条X向线22和n条Y向线23之间，使线22、23彼此绝缘。(注意此处m,n是正整数)。
没有示出的中间绝缘层由SiO2或类似物通过真空蒸汽淀积、印刷、溅射之类的工艺形成。例如，以所需的形状形成中间绝缘层，使得覆盖住其上已形成有X向引线22的基板21的局部或全部。中间绝缘层的厚度、材料和制造工艺被合适地设计，使得能承受电位差，尤其是在X向引线22和Y向引线23交叉处。X向引线22和Y向引线23被引出基板，以便提供外部端子。
面传导电子发射器件24的各自的成对的电极(未示出)被连接到m条X向引线22和n条Y向引线23，如连线25所示，连线25由导电材料通过真空蒸气淀积、印刷、溅射之类工艺制成。
引线22和23的材料，连线25的材料，以及成对的器件电极的材料的构成元素可以部分地或全部相同，也可以彼此不同。例如，这些材料可以从上述的用作器件电极的材料中选择。注意当器件电极和引线用同一种材料时，术语“器件电极”可以用来指器件电极和与其相连的引线。
X向引线22被电连接到用来提供扫描信号的扫描信号发生装置(未示出)，从而响应输入信号，选择排列在X方向上的每行面传导电子发射器件24。另一方面，Y向引线23被连接到用来提供调制信号的调制信号发生装置(未示出)，用来响应输入信号，调制排列在Y方向上的每列面传导电子发射器件。施加于每个面传导电子发射器件的驱动电压作为加到该器件的扫描信号和调制信号之间的电压差被提供。
利用上述方案，通过利用简单的矩阵连线，可以使各个器件被独立地选择和驱动。
现在参照图8、9A,9B和10说明使用上述简单矩阵连线型的电子源构成的。图象形成装置。图8是表示图象形成装置的显示屏的透视图。图9A、9B是用在图8的图象形成装置中的荧光膜的示意图，图10是用于显示NTSC制式的TV信号的图象的驱动电路方块图。
在图8中，21表示其上排列着若干电子发射器件的电子源基板，31是固定电子源基板21的后板，36是面板，由在玻璃基板33上的内表面上层迭上荧光膜34，金属敷层35等制成，32是支撑框架。后板31和面板36通过施加玻璃料或类似物并在空气或氮气中以400℃到500℃的温度烘烤10分钟或更长时间，从而使其连接起来，借以气密性密封连接部分，形成壳体37。
附带说明，标号24表示面传导电子发射器件，22,23分别表示X和Y向引线，它们连接到面传导电子发射器件的各个成对的器件电极上。
如上所述，壳体37由面板36，支撑框架32和后板31构成。不过，因为后板31主要用来加强基板21的强度，如果基板21本身具有足够的强度，后板31可作为一单独的悬空构件。在这种情况下，支撑框架32可以气密方式直接与基板21相连，从而由面板36、支撑框架32和基板21形成壳体37。此外，一种没有示出的称作垫片的支撑可以设置在面板36和后板37之间，使得壳体37有足够的强度承受大气压力。
图9A、9B示意地示出了荧光膜34的例子。荧光膜34可只由荧光物质制成，用来进行单色显示。对于彩色显示，荧光膜34由黑色导体38和荧光物质39的组合构成，根据荧光物质的图形，黑色导体38被称为黑条或黑色阵列。提供黑条或黑色阵列的目的在于用于彩色显示的三原色中在荧光物质39之间提供黑色区域，使得混色变得不明显，并抑制由于外部光的反射由荧光膜34引起的对比度的减小。黑条不仅可以由含有石墨为主要原料的材料构成，而且可由其它导电的，并对光有小的穿透性和反射率的材料构成。
不论图象是单色的或彩色的，荧光物质可通过析出、印刷或类似工艺涂覆在玻璃基板33上。在荧光膜34的内表面，通常提供有金属敷层35。金属敷层借助于朝向面板36的镜反射光具有增加亮度的作用，所反射的光是由荧光物质向内部发出的，并作为施加加速电子束的电压的电极，并保护荧光物质不被壳体内产生的负离子的冲撞所破坏。金属敷层可以在形成荧光膜之后，借助于把荧光膜的内表面弄平(这一步通常被称为成膜)，然后例如通过真空蒸汽淀积在膜上淀积Al制成。
为了增加荧光膜的导电性，面板36可以包括提供在荧光膜34的外表面上的透明电极(未示出)。
在如上述那样对壳体进行气密密封之前，在彩色显示的情况下，必须仔细地进行校准，使得各个颜色的荧光物质和电子发射器件被精确地相互定位。
作为例子，图8所示的图象形成装置的制造步骤如下。
利用上述的处理步骤，壳体37通过抽空管(未示出)由不使用油的抽空设备抽空，例如离子泵或吸附泵，与此同时，如果需要，就把其适当加热，从而建立真空度大约为10-5Pa的环境，此时剩余的有机材料的量已足够小。然后，壳体37被气密性地密封。为了在密封的壳体内维持这种真空度，壳体37内可放入吸气剂。这一处理在密封壳体37的前后立即进行，利用电阻加热或高频加热来加热放在壳体37内的预定位置的吸气剂(未示出)，从而形成吸气剂的蒸汽淀积膜。通过蒸汽淀积膜的吸收作用，壳体内部可以维持1×10-4到1×10-5Pa的真空度。吸气剂通常以Ba为主要成分。附带说明，面传导电子发射器件成形处理之后的步骤被适当地设置。
现在参照图10说明在用简单矩阵连线型的电子源构成的显示屏上显示NTSC制式的TV图象的驱动电路的结构。在图10中，41是图象显示屏，42是扫描电路，43是控制电路，44是位移寄存器，45是行存储器，46是同步信号分离电路，47是调制信号发生器，Vx和Va是直流电压源。
显示屏41通过端子Dox1到Doxm以及Doy1到Doyn被连到外部电路和高压端Hy上。施加于端子Dox1到Doxm上的信号是扫描信号，用于逐行地连续地驱动显示屏内提供的电子源，即一组连接成M行N列的矩阵的面传导电子发射器件。
另一方面，施加于端子Doy1到Doyn上的信号是调制信号，用来控制在由扫描信号选择的一行中从面传导电子发射器件输出的电子束。高压端子HV由直流电源Va提供例如为10KV的直流电压。这直流电压用作加速电压，给面传导电子发射器件发出的电子束足够的能量，以便激励相应的荧光物质。
现在说明扫描电路42。扫描电路42包括M个开关元件(在图10中用符号S1到Sm表示)。每个开关元件选择直流电压源Vx的输出或OV(地电平)，并被电连接到显示屏41的端子Dox1到Doxm中的相应的一个上。开关元件S1至m按照控制电路43输出的控制信号Tscan进行操作，并且容易地由通用的开关元件例如FET组合而成。
直流电压源Vx输出一恒定的电压，在本实施例中根据面传导电子发射器件的特性设定(即电子发射门限电压)，使得加于不被扫描的器件上的驱动电压低于电子发射门限电压。
控制电路43的作用在于使不同元件彼此协调地操作，从而根据来自外部的视频信号输入正确地显示图象。因而，根据由同步信号分离电路46提供的同步信号Tsyn，控制电路43产生控制信号Tscan,Tsft和Tmry，用于相关的元件。
同步信号分离电路是从由外部提供的NTSCTV信号中分离同步信号分量和亮度信号分量，并且可由普通的频率分离器(滤波器)之类构成。由同步信号分离电路46分离出的同步信号包括垂直同步，信号和水平同步信号，但这里为了便于说明，都用信号Tsync表示。此外，由TV信号中分离出来的视频亮度信号分量为了便于说明用信号DATA表示。信号DATA被输入到移位寄存器44。
移位寄存器44进行信号DATA的串/并转换，对于图象的每一行，信号DATA串行地输入到寄存器中。移位寄存器44由从控制电路43提供的控制信号操作(因而，控制信号Tsft可称为移位寄存器44的移位时钟信号)。由串/并转换产生的图象的每行的数据(相当于用来驱N个电子发射器件的数据)从移位寄存器44中作为N个并行信号Id1到Idn输出。
行存储器45是一种用来存储图象的一行的数据，存储的时间长短根据需要而定。行存储器45按照从控制电路43提供的控制信号Tmry存储并行信号Id1到Idn的内容。所存储的内容作为I’d1到I’dn输出并提供给调制信号发生器47。
调制信号发生器47是一个信号源，用来按照各个视频数据I’d1至I’dn以调制的方式正确地驱动面传导电子发射器件。调制信号发生器47的输出信号通过端子Doy1至Doyn提供给显示屏41中相应的面传导电子发射器件。
如上所述，可以采用本发明的电子发射器件每个都有下述的关于发射电流的基本特性。特别是电子发射器件具有确定的对于电子发射的门限电压Vth，只有当施加电压超过Vth时才发射电子。此外，对于超过电子发射门限的电压，发射电流也根据施加于器件上的电压的改变而改变。因此，当把脉冲状的电压加到器件上时，如果施加的电压低于电子发射门限值，则不发射电子，但如果施加的电压超过电子发射门限值，则产生电子束。在这种情况下，产生的电子束的强度可通过改变脉冲的峰值Vm进行控制。而且，可通过改变脉冲的宽度Pw来控制所产生的电子束的电荷的总量。
因而，这种电子发射器件可以用电压调制方法、脉宽调制方法等按照输入信号进行调制。在使用电压调制方法的情况下，调制信号发生器47可通过使用电压调制型电路来实现，它产生具有固定长度的电压脉冲，并且根据输入数据调制电压脉冲的峰值。
在使用脉宽调制方法的情况下，调制信号发生器47可以用脉宽调制型电路实现，它产生具有固定峰值的电压脉冲，并且根据输入数据调制电压脉冲的宽度。
移位寄存器44和行存储器45可以设计成适用于数字信号和模拟信号的，不管怎样，最重要的是以预定速度实现视频信号的存储和串/并转换。
用于数字信号的设计，要求把来自同步信号发生电路46的输出转换成数字信号，不过这可以通过在电路46的输出部分只增加一个A/D转换器来容易地实现。此外，根据行存储器45的输出信号是数字的或模拟的，用于调制信号发生器47的电路必须以不同的方式进行设计。尤其是，当采使用数字信号的电压调制方法时，则调制信号发生器47例如由D/A转换器构成，如果需要的话，还可以包括放大器等等。当采用使用数字信号的脉宽调制方法时，则调制信号发生器47由含有高速振荡器、用来对振荡器输出的脉冲数进行计数的计数器，以及用来比较计数器的输出值和行存储器的输出值的比较器的电路构成。在这种情况下，如果需要，也可以增加一个放大器，用来放大调制信号的电压，所述调制信号是从比较器输出的，并具有调制的脉宽，作为面传导电子发射器件的驱动电压。
在另一方面，当采用使用模拟信号的电压调制方法时，调制信号发生器47可以由使用运算放大器的放大器构成，如果需要，可以增加电平改变电路。当采用使用模拟信号的脉宽调制方法时，调制信号发生器47可以由电压控制的振荡器(VCO)构成。在这种情况下，如果需要，也可以增加一个放大器，用来放大调制信号的电压，用作面传导电子发射器件的驱动电压。
在这样构成的本发明的图象形成装置中，借助于通过伸向壳体外面的端子Dox1到Doxm以及Doy1到Doyn对电子发射器件施加电压而发射电子。借助于对金属敷层35或透明电极(未示出)通过高压端子HV施加高电压而使电子束加速。被加速的电子冲击荧光膜34，从而发生荧光，形成图象。
上述的图象形成装置的结构是可以应用本发明的图象形成装置的一个例子，根据本发明的技术构思可以作出各种修改。输入信号不限于上述的NTSC TV信号，而是可以是任何其它的PAL以及SECAM的制式的TV信号，包括比上述一类具有较大扫描行数的另一种TV信号(例如所谓MUSE制式的高清晰度TV信号)。
现在参照图21的19说明梯形连线型的电子源以及使用这种电子源的图象形成装置。
图21是表示梯形连线型电子源的一个例子的示意图。在图21中，标号21是电子源基板，24是电子发射器件，26或Dx1到Dx10是连接电子发射器件24的公共引线。多个电子发射器件24并列地沿X方向排列在基板21上面形成行(电子发射器件形成的行叫作器件行)。通过排列多个这种器件行而构成电子源。借助于在每一器件行的公共引线之间正确地施加驱动电压可以独立地驱动各个器件行。尤其是对应该发射电子束的器件行施加超过电子发射门限值的电压，而对不需要使其发射电子束的器件行施加低于电子发射门限值的电压。附带说明，位于两个相邻器件行之间的公共引线对Dx2到Dx9，例如Dx2和Dx3可以由一根线构成。
图19是包含梯形连线型电子源的图象形成装置的屏结构例图。标号84是栅极，85是使电子穿过的小孔，86是伸向壳体外面的端子，由Dox1,Dox2,…Doxm表示，87是伸向壳体外面的端子，由G1,G2,…,Gn表示，并和相应的栅极84相连，21是电子源基板。在图19中，与图8，11A和11B中相同的标号表示相同的元件。本实施例的图象形成装置与图8所示的简单矩阵结线式图象形成装置的主要区别在于，栅电极84介于电子源基板21和面板36之间。
栅电极84用于调制由面传导电子发射器体发射的电子束。栅电极84是条形的电极，它们垂直于按梯形结线排列的器件行延伸，并且在其内设有与电子发射器件一一对应的圆孔85作为电子束的通路。栅电极的形状和设置位置并不局限于图19所示的情况。例如，圆孔可以是大量的网状小孔，或是位于面传导电子发射器件的周围或近旁。
外部端子86和外部栅端子87都伸到外壳之外，并与控制电路(未示出)电连接。
在本例的图像形成装置中可以控制辐射到荧光物质上的电子束，采用与按照逐行方式被依次驱动(扫描)的器件同步的方式同时间用于一行图象的各行栅电极施加调制信号，从而以逐行的方式显示一个图象。
本发明的图象形成装置不仅可被用做TV广播的显示器，还可用做TV会议系统，计算机等等的显示器，包括用于由感光鼓等等制成的激光打印机的图象形成装置。
以下结合实例未说明本发明。
〔例1〕
本例电子发射器件的结构与图1A和1B中所示相同。以下参考图3A至3D说明本例电子发射器件的制造过程。
(步a)
在纯净的钠钙玻璃上用溅射方式形成一个厚度0.5μm的氧化硅膜，制成基板1。在基板1上形成一层光刻胶(RD-2000N-41，由Hitachi Chemical Co.,Ltd.生产)并且构图。然后用蒸汽淀积方法在上面依次淀积5nm厚的Ti膜和100nm厚的Ni膜。用有机溶剂溶解光刻胶图形，除去淀积的Ni/Ti膜，从而形成器件电极2,3。器件电极间的空隙L被定为L=3μm，每个器件电极的宽度W被定为W=300μm。
(步b)
为了形成导电薄膜4，按下述方式形成一个Cr掩模。在已形成了器件电极2,3的基板1上用蒸汽淀积法淀积一个100nm厚的Cr膜，并且利用普通的光刻技术把开口限定为与导电薄膜4相对应的形状。这样就形成了Cr膜。
然后，在用一个旋涂器转动的基板上涂上钯(Pd)胺络合溶液，然后在空气中用300℃加热锻烧10分钟。由此形成的膜是一种以PdO为主要成分的细微粒膜，其厚度为10nm。
(步c)
利用湿法浸蚀除去Cr掩膜，去掉PdO细微粒膜使其构成图形，就形成了所需形状的导电薄膜4。导电薄膜4的电阻值Rs为2×104Ω/□。
(步d)
接着把器件传送到一个真空处理装置中进行成形处理，如图5所示，该装置具有测量/计算装置的双重作用。成形处理的过程是用一个抽真空装置16把真空容器15的内部抽真空，直至2.3×10-3Pa的气压，然后在器件电极2和3之间施加脉冲电压。
本例中所用的抽真空装置是一种所谓超高真空抽气系统，它包括一个吸附泵和一个离子泵。在下文中，若没有特别的说明，都是采用这种超高真空系统作为抽真空装置。
用于成形处理的电压脉冲波形如4B所示，其脉冲宽度为T1=1毫秒。脉冲间隔T2=10毫秒。三角波的峰值按每步0.1V上升。在一个成形脉冲与下一成形脉冲之间插入一个0.1V的矩形脉冲(未示出)，以便在执行成形过程的同时监测电阻值。当电阻值超过1MΩ时，成形处理就完成了。完成时的电压峰值(即成形电压)为5.0至5.1V。
(步e)
通过一个缓漏阀门17把WF6导入真空容器15，调节真空容器内的气压并保持在1.3×10-1Pa。然后对器件施加峰值为14V的三角波脉冲，对其进行激活处理。脉冲的宽度和间隔被设定为与上述成形处理中相同的值。通过激活处理在电子发射区中形成一个钙(W)膜。在激活处理期间，在施加脉冲电压的同时测量器件电流If和发射电流Ie。在本例中，由于电子发射效率η(=Ie/If)在约30分钟后可达到最大值，此时就停止导入WF6并结束激活处理过程。通过Ie和If的测量结果对η进行计算，再计算η的时间导数δη/δt，并且确定其导数值在0值附近停留1分钟的那个时间点，由此来判断电子发射效率是否达到了最大值。
〔例2〕
在完成了例1的步d之后，在步e中把H2和WF6一起导入真空容器。其他的步骤与例1相同。把H2的局部压力调节到1.3×10-2Pa。
〔对照例1〕
在完成了例1的步d之后，按下述过程执行激活处理。
(步e)
在对照例中，用一个由回转泵和涡轮泵构成的超高真空抽气系统对真空容器抽真空，把真空容器内的气压调节到约2.7×10-4Pa。然后对器件施加峰值为14V的三角波脉冲进行激活处理。通过激活处理，发射电流Ie和器件电流If急地增加。在激活处理期间，在施加脉冲电压的同时测量器件电流If和发射电流Ie。
在激活处理持续执行了30分钟之后，停止施加脉冲，并且把排气系统切换到与例1中相同的超高真空抽气系统，然后持续地抽气并把真空容器加热到200℃。一旦确认了真空容器内的气压达到了1.3×10-6Pa，就停止加热真空容器并结束激活处理。
对例1,2和对照例1的电子发射特性和与时间有关的变化进行测量。在测量期间把真空容器内的气压维持在1.3×10-6Pa。加在器件上的测量电压脉冲是14V的矩形脉冲，其脉冲宽度为T1=100微秒，脉冲间隙T2=10毫秒。把阳极和器件间的距离设定为4mm，电压为1KV，在此条件下测量Ie。
对器件连续驱动100小时，在此期间测量发射电流Ie的时间变化。
大量按例1,2和对照例1制造的器件中各选一个未经测量的器件，用扫描电子显微镜(SEM)观察其电子发射区的构形。此外，为了计算W涂膜的结晶度，要观察涂膜的电子束衍射，以便确认是否出现了衍射图形。
发射电流Ie的测量结果如下：
    Ie(最初)(μA )   Ie(100h)(μA) 比值(％)
例1例2对照例1     1.61.81.5     1.11.40.5     697833
从SEM的观察结果可以确认，在例1和2的两个器件的电子发射缝隙的高电位(正电极)侧形成了W涂膜，如图13A所示。在低电位(负电极)侧没有发现明显的涂膜。对几个在与本例类似的条件下制造的器件进行观察，在低电位侧也发现有轻微的涂膜，这与制造条件有关，如图13C所示。
电子束衍射测量的结果如下。在例1中，结晶部分呈现出清晰的衍射图形，而能观察到光环(halo)的非结晶部分是混合的，而在例2中则可以观察到W的清晰的衍射图。同时还可以看出，例2中的晶体夹峰形状比例1的结晶部分更尖锐，并在例2中可以达到较高的结晶度。这些结果可能是由于在形成涂膜的步骤中引入了作为蚀刻气体的氢气，并且仅生成了具有良好结晶度的W晶体。
〔例3〕
在完成了例1的步d之后，按下述方式执行激活处理。
(步e)
通过缓漏阀门把WF6导入真空容器，对真空容器内的压力进行调节并保持在1.3×10-3Pa。然后把图11A中所示的峰值为14V且极性交替切换的矩形脉冲加到器件上进行激活处理。脉冲宽度T1,T’1和周期T2分别为1毫秒和10毫秒，而极性相反的两个脉冲间的间隔T’2为5毫秒。
在电子发射效率η达到最大值时停止处理，并对真空容器内部持续抽真空，使气压保持在1.3×10-6Pa以下。
〔例4〕
按例3的过程制做器件，只是在步e中把H2和WF6一起导入真空容器内。WF6的局部压力被调节到1.3×10-3Pa,H2的局部压力被调节到1.3×10-4Pa。
对例3和4的器件测量其电子发射特性，用SEM观察其构形，并且测量电子束衍射现象。电子发射特性的测量条件与例1,2和对照例1中所设定的条件相同，结果如下。
    Ie(最初)(μA )     Ie(100h)(μA) 比值(％)
例3例4     1.72.0     1.21.6     7180
根据SEM对构形的观察结果可以确认，在例3和4的器件的高、低电位两侧形成了相似的W涂膜，如图13B所示。电子束衍射的结果是，例3与例1相同，用一部分呈现清晰的衍射图形，而观察到光环的那部分是混合的，同时，在例4中观察到与2相同的清晰的结晶体衍射图形。
〔例5〕
在完成了例1的步d之后，按以下方式执行激活处理。
(步e)
打开缓漏阀门把W(CO)6导入真空容器，调节真空容器内的压力并保持在1.3×10-2Pa。然后对器件施加图11B所示的峰值为14V的矩形脉冲，进行激活处理。脉冲宽度T1和间隔T2分别为3毫秒和10毫秒。通过激活处理在电子发射区中形成一个钨膜。在激活处理期间施加脉冲电压的同时测量器件电流If和发射电流Ie。
在电子发射效率η达到最大值时停止提供脉冲和W(CO)6，并对真空容器内部持续抽真空，把压力保持在1.3×10-6Pa以下。
〔例6〕
按照与例5相同的条件制做器件，只是在步e中施加18V的矩形脉冲。
〔例7〕
按照与例5相同的条件制做器件，只是在步e中把H2和W(CO)6一起导入真空容器。W(CO)6的局部压力被调节到1.3×10-3Pa，而H2的局部压力被调节到1.3×10-4Pa。
对例5至7的器件进行电子发射特性测量，条件与例1相同。结果如下。
Ie(最初)(μA) Ie(100h)(μA) 比值(％)
例5例6例7    1.41.81.8    0.91.21.3     656772
用SEM对构形进行观察的结果是在各个器件的电子发射区的高电位侧都形成了W的涂膜，此结果与例2相同。
〔例8〕
在完成了例1的步d后，按以下方式执行激活处理。
(步e)
打开缓漏阀门把W(C5H5)2H2导入真空容器，并调节真空容器内的气压并保持在1.3×10-2Pa。然后对器件施加图11B所示的18V峰值的矩形脉冲进行激活处理。脉冲宽度T1和间隔T2分别为3毫秒和10毫秒。在电子发射区中形成一个钨膜。在激活期间施加脉冲电压的同时测量器件电流If和发射电流Ie。
在电子发射效率η达到最大值时停止提供脉冲和W(C5H5)2H2。
按照与例1相同的条件对本例的器件进行电子发射特性测量，结果如下。
Ie(最初)(μA ) Ie(100h)(μA) 比值(％)
例8     1.9    1.2     63
用SEM观察构形，从其结果可以确认在电子发射区的高电位侧形成了涂膜，与例1相同。利用电子探测显微分析仪(EPMA)检查涂膜的成分，从中发现涂膜中除了W之外还含有大量的碳。
〔例9〕
在完成了例1和步d之后，按以下方式执行激活处理。
(步e)
打开缓漏阀门把Mo(CO)6导入真空容器，并调节真空容器内的压力使其保持在1.3×10-3Pa。然后把图11B所示的峰值为16V的矩形脉冲施加到器件上进行激活处理。脉冲宽度T1和间隔T2分别为3毫秒和10毫秒。通过激活处理在电子发射区中形成一个钼膜。在激活处理中施加脉冲电压的同时测量器件电流If和发射电流Ie。
在电子发射效率n达到最大值时停止提供脉冲和Mo(CO)6，并对真空容器内部持续抽真空，使压力保持在1.3×10-6Pa以下。
〔例10〕
在完成了例1的步d之后按下述方式执行激活处理。
(步e)
打开缓漏阀门把Hf(C5H5)2H2导入真空容器，调节真空容器内的压力并保持在1.3×10-3Pa。然后对器件施加图11B所示的峰值为18V的矩形脉冲进行激活处理。脉冲宽度T1和间隔T2分别为3毫秒和10毫秒。通过激活处理在电子发射区中形成一个铪膜。在激活处理期间施加脉冲电压的同时测量器件电流If和发射电流Ie。
在电子发射效率η达到最大值时停止提供脉冲和Hf(C5H5)2H2。
按照与例1相同的条件对例9和10的器件进行电子发射特性测量，结果如下。
Ie(最初)(μA ) Ie(100h )(μA) 比值(％)
例9例10    1.62.0    1.01.2      6360
用SEM观察构形的结果是，在例9和10的两个器件的电子发射区的高电位侧都形成了涂膜。
〔例11〕
在完成了例1的步d之后，按以下方式执行激活处理。
(步e)
器件被浸入装在图12所示的一个镀膜形成装置中的电镀液中，利用电镀形成一个金属膜。把器件电＜+2,3分别作为负和正电极，通过施加峰值为10V的三角波脉冲执行电解电镀。参照Takashi Omi,Masaru Batate及Hisashi Yamamoto的“SurfaceTechnology”,Vol.40,No.2311-316(1989)，电镀液的成分是由.Na2WO4·2H2O；40g/l,NiS4·6H2O；70g/l以及柠檬酸；80g/l构成的，用NH4OH把PH值调整到6。
当流过器件的电流达到5mA时停止施加脉冲，随后对器件进行清洗和干燥。
用这种激活处理方式可以在用成形处理形成的电子发射区的器件电极2一侧初步形成一个由W和Ni的合金构成的涂膜。
按照与例1相同的条件对例11的器件进行电子发射特性测量。测量的方式是重新布置器件电极2,3，将其分别用做正、负电极，与电镀步骤中的极性相反。对真空容器内部抽真空，把压力保持在1.3×10-6Pa以下。测量结果如下。
Ie(最初)(μA) Ie(100h)(μA) 比值(％)
例11    1.7    1.1     65
〔例12〕
在本例中，本发明的应用是制做一个如图7所示在一个基板上包括大量面传导电子发射器件并按矩阵结线方式相互连接的电子源，并可用于制做一个采用该电子源的图象形成装置。在X-和Y-方向上的器件数量是100。
以下参照图14A至14H说明制造过程。
步A
在干净的钠钙玻璃上用溅射法形成厚0.5μm的氧化硅膜，制备基板1。然后用真空蒸汽淀积法按次序在基板1上形成分层的5nm厚Cr膜和600nm厚的Au膜。使用旋涂器转动基板，在其上涂上一种光刻胶(AE1370,Hoechst Co制造)并且烘烤。此后通过对一个光掩模图象进行曝光和显影形成下部导线22的电阻。分别用湿法蚀刻除去淀积的Au/Cr膜，从而形成所需图形的下部导线22。
步B
然后在整个基板上利用RF溅射淀积一个由1.0μm厚的氧化硅膜构成的层间隔离层61。
步C
涂上一种用于在步B中淀积的氧化硅膜中形成触点孔62的光刻胶图形，用它作为掩模，有选择地蚀刻层间隔离层61，形成触点孔62。蚀刻是采用一种CF4和H2的混合气体用RIE(ReactiveIon Etching)方法执行的。
步D
用光刻胶(由Hitachi Chemical Co.Ltd.制造的RD-2000N-41)形成一个图形，用于限定器件电极2,3以及介于二者之间的电子发射区G。然后用真空蒸汽淀积法按次序在其上淀积5nm厚的Ti膜和100nm厚的Ni膜。用有机溶液溶解光刻胶图形，由此除去淀积的Ni/Ti膜。这样就形成了电极宽度均为300μm的器件电极2,3，以及二者之间3μm的电子发射区。
步E
上部导线23的光刻胶图形被形成在器件电极2，和3之上。然后用真空蒸汽淀积法依次在其上淀积5nm厚的Ti膜和500nm厚的Ni膜。除去无用的光刻胶图形，就构成了上部导线23。
步F
接下来用真空蒸汽淀积法淀积一个30nm厚的Cr膜63，并对其构图，使其具有与导电薄膜64的形状相对应的开口。用一个旋涂器在旋转状态下把一种钯(Pd)胺络合溶液(CCP4230)涂在其上，并在300℃下加热锻烧12分钟。由此就形成了由PdO的细微构成的导电薄膜64，膜的厚度为70nm。
步G
采用蚀刻剂沿着由PdO细微粒构成的导电薄膜64的无用部分用湿法蚀刻的方式蚀刻掉Cr膜63。由此就构成了所需图形的导电薄膜64，其电阻值Rs为4×104Ω/□。
步H
在图形中涂上一种抗蚀剂，盖住除触点孔62之外的表面。然后用真空蒸汽淀积法依次在其上淀积5nm厚的Ti膜和500nm厚的Au膜。除去无用的部分，使触点孔62中填入淀积物质。
采用由此制成的电子源构成一个图象形成装置。以下参照图8说明这种图象形成装置的制造方法。
步I
把电子源基板21固定在一个后背板31上。一个面板36(包括叠压在玻璃基板33内表面上的荧光膜34和金属靠板35)被设在基板21上方5mm处，在中间插入支撑构架32，在用熔结玻璃使面板36，支撑构架32及后背板31之间的各部分接合之后，把部件置于空气或氮气环境中用400℃至500℃烘烤10分钟以上，对接合部分进行气密性封装。熔结玻璃还可以使基板21固定在后背板31上。在图8中，标号24是一个电子发射器件，而22,23分别是X-和Y-方向的导线。
荧光膜34仅是由单色荧光物质构成的。为了产生彩色图象，本例中采用了条纹图形的荧光物质。荧光膜34是这样制成的，即首先形成黑色条纹，然后在黑色条纹间的间隙中作上相应颜色的荧光物质。采用现有技术中惯用的以石墨为主要成分的材料构成墨色条纹。用涂浆方法把荧光物质涂在玻璃基板33上。
在荧光膜34的内表面上通常要设置金属靠板35。在荧光膜形成之后，修平荧光膜的内表面(这一步通常被称为薄膜形成)制成金属靠板35，然后用真空蒸汽淀积法在其上淀积Al。
为了增大荧光膜34的导电性，有时可以在荧光膜34的外侧设置带透明电极(未示出)的面板36。在本例中省去这种透明电极，因为金属靠板自己就可以提供足够的导电性。
在上述的气密性封装之前，需要使各个部件精确地对齐，这是因为在彩色器件中的各色荧光物质和电子发射器件相互之间必须精确地对齐。
步J
用一个真空泵通过抽气管管对由此制成的玻璃外壳内部抽真空，使真空度达到约10-4Pa。如图15所示，通过互连的Y-方向导线23逐行进行成形处理。在图15中，标号66是一个用于互连Y-方向导线23的共用电极，67是电源，68是用于测量电流的电阻，69是一个用于监测电流的示波器。
步K
接着形成一个涂膜。处理装置的结构如图16所示。通过抽气管72把图象形成装置71连接到真空室73。用抽真空装置74对真空室73抽真空，并且用压力计75和四倍质谱仪(Q-mass)76检测其内部环境。有两个气体输入系统被连接到真空室73，一个是用于输入激活材料的，另一个被用于输入一种材料(蚀刻气体)，用于蚀刻激活材料。在本例中没有使用蚀刻气体输入系统。
激活材料输入系统通过一个气体输入装置77被连接到材料源78，装置77包括一个电磁阀和一个质量流量控制器，在本例中的材料源78的制备方法是把W(CO)6充入安瓿中使其汽化。
控制气体输入装置77向面板(壳体)输入W(CO)6，并把壳体内的压力调节到1.3×10-4Pa，然后施加18V的矩形脉冲。脉冲的宽度和间隔分别为3毫秒和10毫秒。
按逐行方式执行激活处理。对连接到一行器件上的每个X-方向导线施加峰值Vact=18V的矩形脉冲，并且把所有Y-方向导线按步J中那样连接到共用电极。
当流经一行的器件电流If增加大到If＞200mA(每个器件2mA)时，对该行的激活处理就完成了，接着处理下一行。如此重复执行激活处理直至最后一行。步L
完成了对所有各行的激活处理之后，就关闭气体插入装置的阀门，停止插入W(CO)6，然后对玻璃壳体持续抽真空5个小时，同时把壳体整体加热到200℃。此后用简单矩阵方式驱动电子发射器件使其发射电子，使荧光膜的整个表面产生荧光，以便确定该面板的正常操作。在此之后加热抽气管并使其熔化形成气密性封装。接着用高频加热方法烧化放在面板内的吸气剂(未示出)。
在由此制成的本发明的图象形成装置中，从各个信号发生装置(未示出)通过伸到壳体外部的端子Dx1至Dxm和Dy1至Dyn向电子发射器件施加扫描信号和调制信号，使器件发射电子。通过高压端子Hv向金属靠板35施加5.0KV的高电压使电子束加速，用加速的电子冲击荧光膜34使其受激产生荧光，由此形成图象。在全表面发光的状态下对面板连续驱动100小时，在此期间一直保持着良好的图象显示状态。
图17示出了一例显示器件的框图，其中采用了例12的图象形成装置(显示板)，使其能显示来自包括TV广播在内的各种图象信息源的图象信息。在图17中，标号91是一个显示板，92是用于显示板的驱动器，93是显示板控制器，94是多路转换器，95是解码器，96是输入/输出接口，97是CPU，98是图象发生器，99,100和101是图象存储器接口，102是图象输入接口，103和104是电视信号接收机，105是一个输入装置。(当这一显示装置接收包括视频信息和话音信息的TV信号时，该装置自然能同时显示图象和重放话音。但是在本文中对扬声器等等需要用来对话音信息进行接收，分离，复制，处理，存储等等的设备没有进行描述，它们并不直接涉及到本发明的特征)。
以下将随着图象信号的流程说明上述各部分的功能。
首先，TV信号接收机104是一个用于接收由电波或空间光导通信形式构成的无线传输系统传输的TV图象信号的电路。被接收的TV信号不仅限于特定的制式，而可以是例如NTSC-,PAL-和SECAM-制式。另一种比上述信号具有更多扫描线的TV信号(即包括MUSE-制式在内的所谓高清晰度TV信号)是一种适合利用这种显示板的信号源，用这种显示板可以增加屏幕尺寸和象素数量。由TV信号接收机104收到的TV信号被输出给解码器95。
TV信号接收机103是用于接收由同轴电缆或光纤形式构成的有线传输系统传输的TV图象信号的电路。和TV信号接收机104一样，由TV信号接收机103接收的TV信号的种类不仅限于特定的一种，由接收机103接收的TV信号也被输出到解码器95。
图象输入接口102是用于从诸如TV摄像机或图象阅读扫描器等图象输入装置提取图象信号的电路。由接口102提取的图象信号被输出到解码器95。
图象存储器接口101是用于提取存储在磁带录象机(简称为VTR)中的图象信号的电路。由接口101提取的信号被输出到解码器95。
图象存储器接口100是用于提取存储在视盘中的图象信号的电路。由接口100提取的图象信号被输入给解码器95。
图象存储器接口99也是一个用于从所谓静止图片盘等存储静止图片数据的设备中提取图象信号的电路。由接口99提取的图象信号被输出到解码器95。
输入/输出接口96是用于把显示器件连接到外部计算机或计算机网络以及打印机等输出设备的电路。它不仅可以执行图象数据和字符/图形信息的输入/输出，在某些场合还可以在显示器件内的CPU与外部之间执行控制信号和数字数据的输入/输出。
图象发生器98是用于产生显示图象数据的电路，根据从外部通过输入/输出接口96输入的图象数据和字符/图形信息、或是根据由CPU97输出的图象数据和字符/图形信息来产生显示图象数据。在图象发生器98内装有可写的存储器，用于存储图象数据和字符/图形信息，并装有只读存储器用于存储对应字符代码的图象图形，以及用于处理图象的处理器和其他为产生图象所需的电路。
由图象发生器98产生的显示图象数据通常被输出给解码器95，但有时也可以通过输入/输出接口96输出给外部计算机网络或是打印机。
CPU97执行显示器件的主要操作控制以及与显示图象的发生，选择及编辑有关的各种任务。
例如，CPU97向多路转换器94输出一个控制信号，用于根据需要选择一种或多种图象信号的组合，以便将其显示在显示板上。按照这种连接方式，CPU97还按照待显示的图象信号向显示板控制器72输出控制信号，从而适当地控制显示器件在图片显示频率，扫描模式(隔行或非隔行扫描)，每个图片的扫描线数量等方面的操作。
另外，CPU97直接向图象发生器98输出图象数据和字符/图形信息，或是通过输入/输出接口96连接到外部计算机或存储器，以便输入图象数据和字符/图形信息。当然，CPU97还可以为除上述之外的其他用途而用于与任何合适的任务有关的工作。例如，CPU97可以直接象个人计算机或文字处理器那样涉及到信息的产生或处理功能。另一方面，CPU97也可以如上所述通过输入/输出接口96连接到外部的计算机网络，以便和外部设备协同执行数值计算或其他任务。
输入装置105是供用户向CPU97输入指令，程序及数据等等的设备，并可以是任何形式的输入设置，例如键盘，鼠标，游戏杆，条码阅读器及话音识别装置。
解码器95是用于对由电路98至104输入的各种图象信号进行反变换的电路，将信号变换成三原色信号，或是变换成一个亮度信号，一个I信号和一个Q信号。如图中虚线所示，解码器95内最好包括一个图象存储器。这是因为解码器95还要处理那些TV信号，例如包括MUSE-制式的TV信号，它需要一个图象存储器来执行反变换。另外，图象存储器的存在还带来了一个优点，即使其易于显示静止图片，或是易于执行图象处理和编辑，例如图象的淡出，插入，放大，缩小及合成等等，这些工作是和图象发生器98以CPU97共同执行的。
多路转换器94按照由CPU97输入的控制信号根据需要选择一个显示图象。换句话说，多路转换器94选择一个从解码器95输入的反变换图象信号，并将其输出到驱动器92。采用这种连接方式在一个图片的显示时间内切换地选择两个以上图象信号，就可以象所谓多屏幕电视那样在屏幕分割所限定的多个独立区域中显示不同的图象。
显示板控制器93是用于按照从CPU97输入的控制信号控制驱动器92的工作方式的电路。
作为一种与显示板的基本操作有关的功能，控制器93向驱动器92输出一个信号，用于控制显示板驱动电源(未示出)的操作顺序，这仅是一个例子。另外，作为与显示板驱动方式有关的一种功能，控制器93还可以向驱动器92输出一个信号，用于控制图片显示频率和扫描模式(隔行或非隔行扫描)。
根据不同情况，显示板控制器93可以向驱动器92输出控制信号，用于调整显示图象的亮度，对比度，色调及轮廓等图象质量参数。
驱动器92是用于产生供给显示板91的驱动信号的电路。驱动器92按照从多路转换器94输入的图象信号和从显示板控制器93输入的控制信号进行工作。
采用按图17所示布置方式的各个部件，并且利用上述的各种功能，该显示器件可以在显示板91上显示出从各种图象信息源输入的图象信息。具体地说，用解码器95对包括TV广播信号的各种图象信号进行反变换，并根据要求由多路转换器至少选择其中之一，并将其输入给驱动器92。另一方面，显示控制器93按照待显示的图象信号发出一个控制信号去控制驱动器92的操作。驱动器92根据图象信号和控制信号向显示板91提供驱动信号，从而把图象显示在显示板91上。上述的一系列操作都是由CPU97进行控制的。
除了在解码器95内部的图象存储器，图象发生器98及CPU97的协助下直接显示选自多个项目的图象信息之外，这种显示器件还可以对待显示的图象信息执行放大，缩小，旋转，移动，边沿加重，变淡，插入，色彩转换以及图象宽高比的转换等等功能，同样还可以执行诸如合成，消除，复制，更换及嵌入等编辑功能。尽管在本例的说明中没有特别地描述，还可以提供一个用于处理和编辑话音信息的电路，就象上述的图象处理和编辑电路一样。
相应地，即使只用本显示器件作为单一的装置，也可以将其作为TV广播的显示器，TV会议终端，处理静止和运动图象的图象编辑器，计算机终端，含文字处理器的办公自动化终端，以及游戏机等等；因此，它可以广泛地用于工业和民用领域。
需要指出，图17仅示出了采用显示板的显示器件的一个结构例，显示板中的电子源由面传导电子发射器件构成，然而，本发明并不仅限于此例。例如，与用途无关的图17中所示的某些电路可以删除。反之，按照各种用途还可以增加电路部件。当这种显示器件被用于TV电话时，作为附加部件最好是再提供一个TV摄像机，一个音频话筒，一个照明灯及一个包括调制解调器的发送/接收电路。
〔例13〕
本例涉及到一种梯形连线型的电子源及采用该电子源的图象形成装置。图18A至18C逐步示出了该部件。以下说明本例电子源和图象形成装置的制造过程。按照100×100的数目布置电子发射器件，从而构成电子源。
步A
在干净的钠钙玻璃上用溅射法形成0.5μm厚的氧化硅膜，制备成电子源的基板21。在基板21上形成一层光刻胶(由HitachiChemical Co.,Ltd.制造的RD-2000N-41)，并对其构图，形成与兼做器件电极的光用导线的形状相应的开口。然后用真空蒸汽淀积法依次在其上淀积5nm厚的Ti膜和100nm厚的Ni膜。用有机溶液溶解光刻胶的图形，再除去淀积的Ni/Ti膜，就构成了兼做器件电极的光用导线81。器件电极之间的间隔L被设定为L=3μm。
步B
用真空蒸汽淀积法在基板1上淀积一个300nm厚的Cr膜，并用普通的光刻技术限定开口82，使其对应导电薄膜的图形。由此就形成了Cr掩模83。
然后用旋涂器转动基板，在其上涂一层钯(Pd)胺络合溶液(由OKuno。Pharmaceutical CO.,Ltd.制造的CCP-4230)，接着在空气中用300℃加热烘烤12分钟。由此形成的是一种以PdO为主要成分的导电细微粒膜，厚度约为7nm。
步C
利用湿法蚀刻除去Cr掩模，除去PdO细微粒膜以便对其构图，形成所需形状的导电薄膜4。导电薄膜4的电阻值Rs为2×104Ω/□。
步D
接着把基板置于图5所示的真空处理装置中按逐行的方式执行成形处理。成形处理的方法与例1中所用的流程相同。当各行的电阻值超过100kΩ时就结束该行的成形处理，接着再处理下一行。
步E
把基板浸入与例11中所用的相同的电镀液中，在正、负电极两侧的导线之间施加10V的矩形脉冲。按逐个线的方式进行电镀。当流经每个器件的电流达到5mA时就停止对该线的电镀，然后再电镀下一条线。在这种处理中所施加的电压极性被设定为与发射电子时的实际工作极性相反。结果就在电镀的负电极侧，也就是实际驱动时的正电极侧形成了一个由W-Ni合金构成的镀膜。
步F
按照例12的方式制成一个显示板，但是，由于本例的显示板有一个栅电极，其结构与例12中有所不同。按图19所示装配电子源的基板21，后背板31，面板36和栅电极84，使端子86和栅端子87伸到壳体的外部、85可以是一个用做电子通路的孔。
在全表面发光的状态下对例12和13的图象形成装置(显示板)连续驱动100小时，其结果是所有的板在操作期间都能保持稳定的性能。
以上对本发明的电子发射器件，采用该电子发射器件的电子源以及采用该电子源的图象形成装置进行了充分的描述，通过长时间的驱动可以抑制电子发射特性的劣化，由此就获得了稳定的电子发射特性和稳定的显示功能。

Claims (18)

1．一种电子发射器件，包括：
一对电极；
设置在所述电极之间的导电膜，所述导电膜具有包括缝隙的电子发射区；
设置在所述缝隙中的涂敷膜，与所述导电膜相连，在所述缝隙中形成比所述缝隙窄的间隙，所述涂敷膜主要由在高于所述导电膜材料的温度下产生1.3×10-3Pa的蒸气压的材料构成，其中所述材料是金属或金属氧化物。
2．根据权利要求1所述的电子发射器件，其中所述涂敷膜设在位于所述导电膜高电位的一端，朝向所述缝隙。
3．根据权利要求2所述的电子发射器件，其中所述涂敷膜还设在位于所述导电膜低电位的另一端，朝向所述缝隙。
4．按照权利要求1的电子发射器件，其特征是所述材料是由属于Ⅳa,Ⅴa,Ⅵa,Ⅶa和Ⅷa族元素的组中选出的一种元素构成的金属，或是这种金属的氧化物。
5．按照权利要求3的电子发射器件，其特征是所述材料是由选自Mo,Hf,W和Ni的一种元素构成的金属，或是该金属的氧化物。
6．按照权利要求1的电子发射器件，其特征是所述膜是由一种平均粒度不小于30nm的细微粒形成的。
7．按照权利要求1的电子发射器件，其特征是上述电子发射区是设在上述导电膜中的一个缝隙。
8．按照权利要求1～4、6、7中任意一项的电子发射器件，其特征是上述电子发射器件是一种面传导式电子发射器件。
9．一种电子源包括布置在基板上的许多电子发射器件，其特征是，上述电子发射器件是权利要求1～4、6、7中任意一项所述的一种电子发射器件。
10．按照权利要求9的电子源，其特征是，上述电子发射器件都是面传导式电子发射器件。
11．按照权利要求9的电子源，其特征是，布置有许多个器件行，一个器件行包括许多相互电连接的电子发射器件。
12．按照权利要求9的电子源，其特征是上述许多电子发射器件按矩阵结线方式相互电连接。
13．一种图象形成装置，包括一个由布置在基板上的许多电子发射器件构成的电子源，以及一个图象形成元件，其特征是，上述电子源是权利要求9所述的电子源。
14．按照权利要求13的图象形成装置，其特征是上述电子发射器件都是面传导电子发射器件。
15．按照权利要求13的图象形成装置，其特征是上述电子源是这样一种电子源，其中布置有许多器件行，一个器件行包括许多相互电连接的电子发射器件。
16．按照权利要求13的图象形成装置，其特征是上述电子源是这样一种电子源，其中的上述许多电子发射器件按矩阵结线方式相互电连接。
17．按照权利要求13的图象形成装置，其特征是上述图象形成元件是一种荧光物质。
18．一种电子发射器件，包括：
一对导电膜，相互对置，具有第一间隔，该第一间隔是电子发射缝隙；
设置在所述第一间隔内的一膜，至少与所述一对导电膜之一相连，使得在所述第一间隔内形成比所述第一间隔窄的第二间隔，所述膜包括作为主要成份的第一材料，第一材料在高于所述导电膜的第二材料的温度上产生1.3×10-3Pa蒸气压，以及
一对电极，分别与所述一对导电膜各膜相连；
其中所述第一材料是金属或金属氧化物。
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