CN1316534C - 制造电子发射器件、电子源和成像装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有均匀的电子发射特性的耐用的电子发射器件的制造方法，一种电子源，以及能够长时间具有均匀的显示特性的一种图像形成装置。按照本发明的制造电子发射器件的方法包括以下步骤：在衬底表面上布置一个阴极电极；面对着阴极电极提供一个电极；在阴极电极上布置多件以碳为主要成分的纤维；以及在减压状态下对面对着阴极电极的电极施加一个电位，该电位高于施加在阴极电极上的电位。

Description

制造电子发射器件、电子源和成像装置的方法
技术领域
本发明涉及到电子发射器件，使用这种器件的一种电子源，一种图像形成装置以及制造电子发射器件的一种方法。
背景技术
利用施加到金属上的106V/cm以上的强电场从金属面上发射电子的场发射型(FE-型)电子发射器件作为一种有效的冷电子源已经引起了业界的关注。
如果将FE-型冷电子源付诸实用，就能获得一种薄型放射性图像显示器件，从而对一种节能和轻便的系统作出贡献。
图12表示一种垂直FE-型构造。在图12中，标号121代表一个衬底，标号123代表发射极电极，标号124代表一个绝缘层，标号125代表发射极，标号126代表一个阳极，而标号127代表发射给阳极的一个电子束的形状。在绝缘层124和布置在阴极电极123上的一个栅极电极122的各层中形成一个窗口。圆锥形发射极125被设在窗口中(以下将这种构造称为Spindt型构造)。例如，在C.A.Spindt，“Physical Properties of thin-film field emission cathodeswith molybdenum cones”，J.Appl.Phys.，47，5248(1976)等等中就描述了这种构造。
另外，如果将具有一个尖端的发射极电极和用来从发射极电极端部抽取电子的栅极电极(抽取电极)平行地布置在衬底上，并且将集电极(在本发明中被称为阳极)设在与对立方向的栅极电极和发射极电极垂直的方向上，就能够形成一种横向的FE-型电子发射器件。
日本专利申请公开8-115652号，日本专利申请公开2000-223005号，欧洲专利公开EP-A1-1022763号等等披露了一种使用碳纤维的电子发射器件。
发明内容
在使用上述FE＝型电子源的图像形成装置中，根据从电子源到荧光体的距离H，电子发射器件和荧光体之间的阳极电压Va，阴极电极和引线电极之间的器件电压Vf就可以获得一个电子束斑点(以下称其为射束直径)。上述射束跨度为亚次毫米，并且具有足够的分辨率可作为图像形成装置。
然而，在诸如此类的图像显示器件的图像形成装置中，近来需要有一种具备更高精度的分辨率。
另外，随着显示象素数量的增加，为驱动电子发射器件的大器件电容所需的功率消耗也会上升。因而就希望降低器件电容和器件电压，并且改善电子发射器件的效率。
另外还要求电子发射器件具有均匀的特性，以免由于电子发射器件的不均匀特性造成象素之间的亮度分布不均匀。
这样就需要降低器件电容，器件电压，并且减少电子发射器件之间的不均匀特性。
在图12所示的Spindt型电子发射器件中，由于栅极电极122和衬底121的分层构造，在一个大栅极电容和多个发射极125之间会形成寄生电容。另外，Spindt型FE的器件电压高达数十V，这样，大电容就会造成功率消耗大的问题。
再有，因为抽取的电子束会扩散，需要有一个聚焦电极来抑制射束的扩散。例如日本专利申请公开07-006714号所公开的一种轨迹聚焦方法是提供一个用于聚焦电子的电极。然而，这种方法的问题是安排聚焦电极的工艺步骤很复杂，并且其电子发射效率很低。
另外，因为普通的水平FE是这样设计的，即从一个垂直阴极发射的电子容易撞击到栅极电极，效率(流经栅极的电流与到达阳极的电流之比)会有所降低，并且射束会在阳极上大面积扩散。
对于用一组碳纤维制成的电子发射器件，如果器件与器件在长度和形状上有比较大的差别，就会出现局部电子发射(电场集中)。因此，伴随着电子发射的电流密度在出现局部电场集中的部位会变得很高，这样可能会损害电子发射特性并缩短器件的寿命。
另外，对于具有许多上述器件的图像形成装置来说，上述情况会造成各个电子发射器件的Ie(发射电流)量值的明显分布，这样就会降低图像形成装置的性能，从而导致灰度图像，闪烁图像等等不良显示。
本发明就是要解决上述问题，其目的是提供一种耐用的电子发射器件，电子源，能够长时间具有均匀显示特性的图像形成装置，以及通过保证均匀的电子发射特性而便于制造这种电子发射器件和图像形成装置的一种方法。
为了实现上述目的，按照本发明的电子发射器件的制造方法包括在衬底表面上执行以下步骤：布置一个阴极电极；面对着阴极电极布置一个电极；在阴极电极上布置多件主要用碳构成的纤维；以及在减压状态下对面对着阴极电极的电极施加一个电位，该电位高于施加在阴极电极上的电位。
为了实现上述目的，按照本发明的另一种制造电子源的方法包括以下步骤：在衬底上布置多个电子发射器件，每个器件有多个主要由碳构成的纤维以及各自用电路连接到多个电子发射器件中的至少一个的多件导线；对多个电子发射器件当中的至少一部分施加一个电压，并且测量被施加电压的电子发射器件的电气特性；以及根据测量结果降低多个电子发射器件之间在电气特性上的差别。降低上述多个电子发射器件在电气特性上的差别的步骤中包括在减压状态下让多个电子发射器件当中的至少一个能够发射电子的步骤。
另外，从上述电子发射器件发射电子的步骤最好是在与纤维有物理或化学反应的一种气体环境中执行。按照这种工艺，纤维中电场集中的部位会对局部蚀刻工艺发生反应。结果就能制成稳定并且均匀的电子发射器件，电子源，以及图像形成装置。
与纤维发生化学反应的气体最好是包含H2，H2O，O2或者是CO2。否则，与纤维有化学反应的气体就应该是H2气体和H2O，O2及CO2气体之一的组合。
附图说明
图1A，1B，1C，1D和1E表示按照第一实施例的电子发射器件的制造方法；
图2A和2B表示在按照本发明一个实施例的电子发射器件当中用来均衡细微投影形状的一个步骤；
图3A和3B表示按照本发明实施例的一种电子发射器件；
图4A，4B，4C和4D表示按照本发明实施例的电子发射器件的制造步骤；
图5A和5B表示电子发射器件的发射电流随时间的变化；
图6表示电子发射器件在工作中的一种配置；
图7表示按照本发明实施例的电子发射器件的一种工作特性；
图8表示按照本发明实施例的一种简单矩阵电路的配置；
图9表示采用了本发明实施例的电子源的一种图像形成装置的配置；
图10表示一种碳纳米管的外形结构；
图11表示一种石墨纳米纤维的外形结构；
图12表示常规的垂直FE-型电子发射器件；
图13表示按照本发明的一种均衡工艺的样板；以及
图14表示按照本发明的另一种均衡工艺的样板。
具体实施方式
以下更参照附图详细说明本发明的最佳实施例。然而，除非另有说明，本发明并非仅限于所述实施例中的尺寸，材料，形状以及各部件有关的布局。
以下首先要说明电子发射器件的电子发射特性的均衡过程。
按照本发明，最好是用碳纤维作为电子发射器件的电子发射部件。因为碳纤维具有很大的纵横尺寸比，容易增强电场。这样就有可能用低电压发射电子，按照本发明建议用碳纤维作为电子发射部件。
按照本发明的“碳纤维”可以是一种“主要由碳制成的圆柱物体”或者是“主要由碳制成的直线物体”。另外，“碳纤维”也可以是“主要由碳制成的纤维”。更具体地说，本发明的“碳纤维”还包括碳纳米管，石墨纳米纤维和非晶体碳纤维。特别是石墨纳米纤维最适合作为电子发射部件。
然而，如果用碳纤维做电子发射部件，考虑到制造方法的需要往往要使用一组多件碳纤维。因为难以均衡碳纤维在厚度，长度等方面的形状，如果用一组多件碳纤维作为一个电子发射器件的电子发射部件，在电子发射器件之间往往会出现特性不均匀的现象。
考虑到这种情况，本发明要执行一种减少电子发射器件之间在电子发射特性上的差别的步骤(均衡步骤)，以便控制用多件碳纤维作为电子发射部件的电子发射器件的电子发射特性。
作为本发明的电子发射器件制造方法的特征的这一“均衡步骤”是这样执行的，在电极(阴极电极)上布置多件碳纤维，在电极上施加一个电位，该电位低于电子发射器件受到驱动时在其一对电极中对面那个电极(抽取电极)上的电位，然后对电子发射器件施加一个电压。
如果用许多电子发射器件制成一个电子源或是一个图像形成装置，这种方法是特别方便且有效的。
本发明的“均衡步骤”不仅能减少多个电子发射器件之间在电子发射特性上的差别，还能够改善电子发射器件的电子发射特性。
刚刚形成碳纤维的电子发射器件表现出多件碳纤维之间在形状上的差别。这样的器件中会形成一个电场特别集中的部位。在使用这种具有特别集中的电场的电子发射器件时，电子是从特定部位集中发射的，并且会在该部位产生过大的负载。结果就会使电子发射特性突然损坏，并且不能获得足够性能的电子发射器件。
因此，利用本发明的“均衡步骤”可以消除电场特别集中的部位，大致均等地从许多件碳纤维发射电子(电子发射点的数量增加了)。其结果就能获得具有良好的电子发射特性并且能够长时间稳定的电子发射器件。
按照本发明的上述“均衡步骤”应该是在一种物质与碳纤维发生反应的条件下施加电压。
均衡步骤的原理是通过一种蚀刻工艺来执行的，此间利用了作为电子发射部位的碳纤维向真空中发射电子时产生的热量。另外，如果是在一种物质与碳纤维发生反应的条件下执行这一步骤，这种条件下的反应物质和碳纤维相互发生有选择的反应，从而完成局部蚀刻步骤。
因为碳纤维所含的主要成分是碳，会发生以下的反应。
C+H2O→H2↑+CO↑...(1)
C+O2→CO2↑...(2)
2C+O2→2CO↑...(3)
C+CO2→2CO↑...(4)
因此，H2O，CO2，O2，H2等等都可以用做与碳纤维发生反应的物质。
图2A和2B表示按照本发明对采用碳纤维作为电子发射部件的一种横向电子发射器件执行均衡步骤的样板。
在图2A和2B中，标号1代表一个绝缘衬底，标号2代表抽取电极(也被称为“第二电极”或“栅极电极”)，标号3代表阴极电极(也被称为“第一电极”或“负电极”)，标号4代表由电路连接到阴极电极上的多件碳纤维构成的一个电子发射部件。标号20代表一个真空舱，标号21代表一个衬底支架，标号22代表一个气体先导阀，标号23代表真空泵，标号24代表一个阳极(也被称为“第三电极”)，而标号25代表一个等电位面。
在本实施例中描述了一种横向电子发射器件，但是本发明的制造方法也可以应用于用碳纤维作为电子发射部件的垂直电子发射器件。另外，因为横向电子发射器件便于制造，并且驱动操作的容量比垂直电子发射器件要小，能够执行高速驱动程序。
另外，尽管图12所示的垂直电子发射器件包括一个阴极电极123和一个抽取电极(栅极电极)125，碳纤维能够在低电场中发射电子。因此，本发明也能应用于没有图12中所示的栅极电极125和绝缘层124的垂直电子发射器件。也就是说，本发明可以应用于由装在衬底121上的阴极电极123和装在它上面的碳纤维构成的一种电子发射器件。
在垂直电子发射器件中可以这样来执行“均衡步骤”，执行与下述的在“均衡步骤”中执行的步骤类似的电压施加步骤，在布置有碳纤维的阴极电极(在图12中用标号123表示)和阳极(在图12中用标号126表示)之间施加电压。否则也可以通过执行与下述的在“均衡步骤”中执行的电压施加步骤类似的步骤来执行“均衡步骤”，在抽取电极(在图12中用标号122表示)和设在布置有碳纤维的阴极电极(在图12中用标号123表示)与阳极(在图12中用标号126表示)之间的阴极电极之间施加电压。
另外还可以这样来执行“均衡步骤”，在设有碳纤维的阴极电极上方布置一个电极板，并且所执行的电压施加步骤与下文所述在电极板和阴极电极之间的“均衡步骤”中执行的电压施加步骤类似。
在“均衡步骤”中，在利用真空泵23抽空真空舱20之后从气体先导阀22引入与碳下文发生反应的“反应气体”。然后对碳纤维的电子发射部件4施加电压，使抽取电极2变成正电位，从碳纤维的电子发射部件4上发射电子。然后，利用电子发射的热量使碳纤维的电子发射部件4在右侧发生上述的反应，从而对碳纤维进行蚀刻(图2A)。
在上述反应过程中，气体先导阀22不断地引入左侧的反应气体，用真空泵23抽空右侧的产物，使上述的反应逐渐向右侧发展。
因为这种反应是可逆的，应该马上从反应系统中除去反应产物。
另外还建议保留一段时间停止电子发射，以促进反应气体和电子发射部件之间的反应。为此就应该在电子发射部件4和抽取电极2之间施加一种脉冲电压。
因为反应是由电子发射的热量来驱动的，电子发射部件4中容易发射电子的部位(该部位的电场容易加强)随着热量集中而发生反应，对一组碳纤维进行蚀刻。结果，电场过度集中的那一部位就会被消除，电场发射区域就能够均衡地施加电场。
图2B表示“均衡步骤”结果的样板。在执行完“均衡步骤”之后，施加到每一件碳纤维上的电场差别被减小了。也就是说，象图2A中所示的极度扭曲的等电位面25中的扭曲如图2B所示被减小了。
在制造图像形成装置时也可以执行“均衡步骤”，将各自具有碳纤维和用于驱动电子发射器件的导线的多个电子发射器件构成的一个电子源衬底和具有由荧光体构成的一个图像形成部件的一个面板粘接到一起，然后形成一个真空封装(被称为密封步骤)，最后执行“均衡步骤”。
按照上述步骤能够改进采用多件碳纤维的电子发射器件，电子源和图像形成装置。
也就是说，按照本发明的电子发射器件利用“均衡步骤”能够防止局部电场集中，由此来均衡电子发射特性，并且抑制由于局部电场集中造成的高电流密度所导致的过负荷给发射电流带来的衰减。
这样就能抑制感应的放电，延长电子发射器件的寿命，并且能够维持稳定的电子发射电流，减少随时间的波动。
由于在包括许多电子发射器件的电子源和图像形成装置中能够稳定地维持各个电子发射器件的电子发射电流，就能够改善各个象素的寿命，完美地表达一个图像的灰度，并且能避免图像的闪烁，从而长时间提供均衡的显示特性。
以下是按照本发明的实际构造的一个实施例。
图3A和3B表示采用了本发明的制造方法的一种电子发射器件的构造。图3A是本实施例的电子发射器件的平面图，图3B是沿着图3A中的3B-3B线看去的一个截面图。
在图3A和3B中，标号1代表衬底，标号2代表抽取电极，标号3代表阴极电极，标号4代表一个电子发射部件。图4A到4D示意性地表示了按照本实施例的制造电子发射器件的方法的一个样板。以下要参照图4A到4D来描述按照本实施例的制造电子发射器件的方法。
衬底1采用石英玻璃，用K等等碱石灰玻璃减少并代替玻璃中诸如Na等等杂质的含量，在硅衬底上用溅射法施加SiO2和诸如陶瓷，氧化铝等等的一个绝缘衬底而获得一种分层构造(图4A)。
将抽取电极(栅极电极)2和阴极电极3设置在绝缘衬底1上(图4B)。
抽取电极2和阴极电极3是导电的，并且可以用常规的真空薄膜形成技术来制造，例如有蒸气法，溅射法等等以及光刻技术。
抽取电极2和阴极电极3的材料例如可以是碳，金属，金属氮化物，金属硼化物，半导体，或者是金属化合物半导体。
电极2和3的厚度可以设置在数十nm到几μm的范围。建议使用碳，金属，金属氮化物，金属硼化物等等耐热材料。如果由于电极变薄而能够降低电位，或者是如果电子发射器件被用在一个矩阵中，在没有被纳入电子发射的部位就可以根据需要采用低电阻金属导线材料。
抽取电极2和阴极电极3之间的距离可以根据在抽取电极2和阴极电极3之间驱动电子发射器件的器件电压来确定，如果将电子发射部件4的电子发射电场(横向电场)与为了形成图像所需的垂直电场相比较，这一电子发射电场应该比垂直电场大一到十倍。
例如，如果抽取电极2和阴极电极3之间的距离是2mm并且施加10KV，垂直电场就是5V/μm。在这种情况下可以这样来确定距离和器件电压，让电子发射部件所使用的电子发射电场大于5V/μm，并且对应着选定的电子发射电场。
按照本发明的“横向电场”可以解释为一个“与衬底1的表面实际平行的电场”或者是“在面对阴极电极3的抽取电极2的方向上的一个电场”。
按照本发明的“垂直电场”可以解释为一个“与衬底1的表面基本垂直的电场”或者是“在面对一个阳极电极61的衬底1的方向上的一个电场”。
具有不均匀表面的电子发射部件4被设在阴极电极3上(图4C)。用做电子发射部件4的材料是一组碳纤维。理想的碳纤维是石墨纤维。
上述碳纤维具有一个几V/μm的门限电场。图10和11表示适用于本发明的碳纤维构造的一个例子。每幅图表示一个实施例，左侧是光学显微镜级(大约1000倍)的实施例，中间是扫描电子显微镜(SEM)级(大约30000倍)的实施例，而右侧是射电电子显微镜(TEM)级(大约1百万倍)的实施例。
如图10所示，用一个圆筒形图形(graphen)(被称为多层壁纳米管的一种多层壁圆筒)表示一个碳纳米管，它的门限在管的顶端开放时最小。
图11表示可以在比较低的温度下制造这种碳纤维。这种形式的碳纤维是由层叠图形构成的(有时候也被称为“石墨纳米纤维”，它的非晶体构造的比例随着温度而增多)。具体地说，石墨纳米纤维是指这样一种纤维质物质，其中的图形层叠在纵向方向(纤维的轴向)上。如图11所示，它是布置有许多与纤维的轴线不平行的层叠图形的一种纤维质物质。
另一种碳纳米管是一种纤维质物质，其中的图形围绕着纵向(纤维的轴向)布置成圆筒形。换句话说，它是一种图形大致与纤维轴线平行布置的纤维质物质。
一片石墨被称为一个“图形”或是“图形片”。更加实用的石墨是通过层叠多层碳片获得的，每一层是一种由按照sp2混合的碳原子的共价键展开的规则六边形，层叠的间隔距离是3.354A。每个碳平面被称为一个“图形”或“图形片”。
碳纤维具有的电子发射门限是1V到10V/μm，并且可以作为发射极(电子发射部件)4的材料。
特别是采用一组石墨纳米纤维的电子发射器件并非仅限于图2和3所示的本发明的器件构造，它还可以用低电场发射电子，可以获得很大的发射电流，便于制造，并且能够获得一种具有稳定的电子发射特性的电子发射器件。例如，可以这样来获得采用石墨纳米纤维发射极的电子发射器件，制备一个用来控制发射极的电子发射的电极，和一个发光装置例如是一个灯，可以用一个发光部件构成，通过石墨纳米纤维发射的电子的放射而发光。另外，可以用上述石墨纳米纤维布置成多个电子发射器件阵列，并且制备一个由发光部件例如是荧光体构成的阳极电极，就能够配置成诸如显示器的一种图像形成装置。一个电子发射器件，一个发光器件，以及采用石墨纳米纤维的图像形成装置能够稳定地发射电子，不需要象常规的电子发射器件那样在每个器件内部保持真空状态。另外，由于可以用低电场发射电子，便于制造出可靠的器件。因此，本发明的制造方法更适合用于采用石墨纳米纤维的器件。
可以用一种催化剂(用来促进碳堆积的一种材料)分解碳氢化合物气体而形成上述碳纤维。碳纳米管和石墨纳米纤维取决于催化剂的类型和分解的温度。
可以用Fe，Co，Pd，Ni或者是这些选定材料的任何一种合金作为催化剂材料，以此作为形成碳纤维中心的核心。
特别是Pd，Ni可以作为在低温(400℃以上)下产生石墨纳米纤维的材料。用Fe或Co产生碳纳米管的温度是800℃以上，而在低温下可以产生石墨纳米纤维材料。因此，考虑到对其他部件的影响和制造成本，应该用Pd和Ni来产生石墨纳米纤维材料。
另外，关于Pd，利用氧化在低温(室温)下减少的特性，可以用钯氧化物作为核心形成材料。
在对钯氧化物执行减少氢的步骤时，可以在比较低的温度(200℃以下)下形成快速浓缩的核心，而金属薄膜不会受热浓缩或者是象常规的核形成技术那样产生并蒸发出超粒子。
上述碳氢化合物气体例如有乙烯，甲烷，丙烷，丙烯，CO，CO2气体或者是诸如乙醇，丙酮等有机容剂的蒸气。
另外，本发明还可以应用于任何具有图4C所示的不均匀面的电子发射部件4。具有不均匀面的电子发射部件4的材料可以是耐热材料，例如有W，Ta，Mo等等，诸如TiC，ZrC，HfC，TaC，SiC，WC等等碳化物，诸如TiN，ZrN，HfN等等氮化物，诸如Si，Ge等等半导体，碳以及包含扩散的非晶体碳，石墨，钻石状碳及钻石等等碳化合物。
具有不均匀面的电子发射部件4可以采用RIE等方法按照溅射法等普通真空薄膜形成方法堆和起来的一个薄膜产生投影的步骤获得，或者是通过按照CVD产生一个核再生长一种针状晶体的步骤而获得，例如是生长一种胡须状晶体。
投影形状的控制取决于所使用的衬底类型，气体的类型，气体的压力(流速)，以及蚀刻时间，形成等离子体的能量等等。另一方面，按照CVD形成方法，控制是根据衬底类型，气体类型，流速，生长温度等等来执行的。
按照本发明，无论是否发射电子，电子发射部件4所处的区域都称为“电子发射区”。
然后对上述电子发射部件4进行局部蚀刻，并且执行增加发射点数量的“均衡步骤”(图4D)。
在电子发射器件如图2A和2B所示被置于真空舱20内并且用真空泵23抽真空之后，用气体先导阀22引入一种与电子发射部件4发生化学或物理反应的物质。
如果电子发生部件4是碳(碳纤维)，化学反应物质可以是上述的H2O，CO2，O2，H2等等。与纤维发生化学反应的这种气体最好是从H2O，CO2，O2和H2气体当中选择的一种混合气体。
物理反应物质是一种在受到电子束碰撞时带电的粒子，并且应该具有较大的质量例如是Ar。上述物质的气体的引入压力取决于气体的种类。然而，化学反应物质的压力应在1×10-4Pa以上，而物理反应物质的压力大约在1×10-6到1×10-4Pa。
如果对电子发射器件的电子发射部件4施加电位，让电子发射器件的抽取电极2处在正电位，并且在引入上述气体之后发射电子，上述气体就会因与电子发射部件4发生反应而蚀刻电子发射部件4。
在对电子发射区执行这一步骤时，容易发射电子的部位(电场容易得到加强的部位)就会集中发生反应并且受到蚀刻，这样就能消除电场过度集中的部位，让电场能够更加均衡地施加到电子发射区上。
图2A和2B表示这一步骤的样板。图2A表示器件在开始“均衡步骤”时的样板，而图2B表示器件在执行完“均衡步骤”之后的样板。
在形成图像形成装置的过程中，也可以这样来执行这一步骤：将上面布置有用于电子发射器件的导线的电子源粘接在具有荧光体构成的图像形成部件的一个面板上；在形成一个封装(被称为密封步骤)之后引入反应气体；并且对电子发射区中的阳极施加正电位。
这样就能制成按照本实施例的一种电子发射器件。
以下要参照图6和7来描述按上述步骤获得的电子发射器件及其工作原理。如图6所示，将抽取电极2和阴极电极3之间具有几μm间隙的一个电子发射器件置于真空舱60中，用真空泵63抽真空直至达到大约10-5Pa的压力，设置阳极电极61的高度H与衬底1相距几mm，采用如图6所示的高电压，将一个数KV的阳极高电压Va施加在阴极电极3和阳极电极61之间。
在阳极电极61上设置涂覆有一层导电薄膜的荧光体62。
一个数十V脉冲电压的器件电压Vf被施加在抽取电极2和阴极电极3之间，测量流动的器件电流If和电子发射电流Ie。
此时就会形成如图6中所示的一种等电位线66，电场集中的点位于用64表示的最接近电子发射部件4的阳极61处和间隙内部。
假设电子是从位置接近电场集中点64的电子发射部件4上发射的。
如图7所示，电子发射器件的电子发射电流Ie的特性显示出Ie在施加电压(器件电压)的一半附近突然上升，If的特性与Ie相似，但是比Ie的值小得多。
另外，在电子发射部件4被破坏时还能观测到Ie，因为电子发射部件4上的局部电场集中还没有出现突然波动。
图5A表示按照本实施例用同一种制造方法制造的各个器件A，B和C受到Vf，Va和H设定常数的驱动时出现的Ie波动。它证明三个器件A，B和C的波动很小，并且具有相似的Ie值。
作为比较，图5B表示在驱动电子发射部件4时用同一种制造方法制造的各个器件D，E和F出现的Ie(发射电流)波动，唯一的区别是省去了均衡步骤(参见图4D)。对于器件D，在驱动周期中观测到Ie突然下降。对于器件F，Ie逐步下降，并且在某一值处表现出饱和的趋势。器件E的Ie是稳定的。
因此，如果不执行“均衡步骤”，器件的特性是不平衡的，因为器件中电场容易集中的部位会由于作为电子发射部件的碳纤维的构造不同而有所不同。
以下是三个器件(A，B和C)的例子，并且说明了按照本发明在许多器件之间执行均衡步骤的一个例子。图14表示不同的器件A至C在“均衡步骤”之前的电子发射特性。
在本例中，器件C的电子发射门限Vth3最大，而器件A的电子发射门限Vth1最小。
如果在上述反应气体的条件下用脉冲电压驱动器件A，对碳进行上述化学蚀刻的机制就会使器件A的电子发射电流突然下降。在执行这一步骤的同时逐渐增加施加到器件A上的电压，直至因达到器件C的门限电压(Vth3)而不能检测到明显的电子发射时为止。对器件B执行类似的步骤，直至电流值从图中所示的点A所指的那一值下降到点B所指的值。
如果在排出反应气体之后的条件下评估各个器件的特性，器件A和B的电子发射特性就能基本上符合器件C的电子发射特性。
以下要说明在许多器件之间执行“均衡步骤”的最佳方法。这一最佳方法包括以下步骤：找出一个电子发射器件，它发射电子所需的门限电压被确定为比其他器件的特性要低，然后让其他器件的门限电压接近门限电压比其他器件低的这一器件的门限。
根据上述原理，以下参照图8来描述对一种包括许多电子发射器件的电子源执行均衡步骤的一种方法。在图8中，标号81代表电子源衬底，标号82代表X方向导线，标号83代表Y方向导线，标号84代表一个电子发射器件，而标号85代表一条连接线。
X方向导线82是由m件导线Dx1，Dx2，...，Dxm构成的，并且可以用真空蒸气法，印刷法，溅射法等等形成的导电金属来装配。导线的材料，薄膜厚度及宽度可以适当地设计。
与X方向导线82的构成类似，Y方向导线83是由n件导线Dy1，Dy2，...，Dyn构成的。
在m件X方向导线和n件Y方向导线之间有一个用于隔离的层间绝缘层(在有关的附图中没有表示)，这些层都单独用电路连接。
在有关附图中没有表示的这一层间绝缘层是通过真空蒸气法，印刷法，溅射法等等用SiO2制成的。例如，在布置有X方向导线的所有或一部分电子源衬底81上形成理想的形状。适当地设计它的薄膜厚度，材料以及制造方法，在X方向导线82和Y方向导线83之间的交叉位置上维持一个电位差。
X方向导线82和Y方向导线83是作为外部端子的引线。
形成电子发射器件84的一对电极(在附图中未示出)被导电金属构成的m件X方向导线82，n件Y方向导线83和连接线85在电路上连接。
如果在图8所示的简单矩阵中增加X方向的行数和Y方向的列数，如果通过选择矩阵中的所有电子发射器件84而全体执行“均衡步骤”，施加到各个器件上的电压就会因电压降而出现明显的分布。例如，理想的方法是逐个导线地执行“均衡步骤”或者是一个接一个地(按顺序)执行“均衡步骤”。
在本实施例中描述了一种的所有电子发射器件执行均衡步骤的例子。然而也可以不对所有电子发射器件执行均衡步骤，而是仅仅对指定的电子发射器件来执行。
在执行均衡步骤之前需要测量电子发射器件84的电气特性。可以根据测量所获的数据来确定如何设置电子发射器件的电气特性。有待测量(监视)的电气特性是通过测量对每个电子发射器件或是电子发射器件与阳极之间施加一个预定电压时产生的电流而获得的。
在每个电子发射器件的抽取电极和阴极电极之间施加预定电压时在电子发射器件中产生的电流可以是抽取电极和阴极电极之间流动的电流。在阳极电极和电子发射器件之间产生的电流可以是在阳极电极和电子发射器件之间施加预定电压并且有电流流到阳极(来自电子发射器件的发射电流)时检测到的电流。
理想的情况是测量所有电子发射器件的电气特性。然而，随着电子发射器件数量的增加，也可以仅仅对有限的器件进行测量，并且根据测量值来执行“均衡步骤”。
根据测得的电气特性，为了使所有电子发射器件的电气特性接近一个预定值的范围，就需要对所有电子发射器件执行“均衡步骤”。然而，如果器件的电气特性彼此间并没有多大差别，也可以接近对特性超出了理想范围的那些电子发射器件执行“均衡步骤”。
以下要描述上述的按顺序平衡线路的方法。例如可以用共同连接(例如是GND连接)的n件Y方向导线即Dy1，Dy2，...，Dyn来执行“均衡步骤”，对Y方向导线到X方向导线的Dx1施加正电位，并且选择行Dx1(连接到Dx1导线的电子发射器件)84上的电子发射器件。然后对Dx2施加同样的电压，选择行Dx2上的电子发射器件，并且执行“均衡步骤”。同样按顺序选择行Dx3，Dx4，...，Dxm，并且按照线路顺序在X方向上执行均衡步骤。这样就能减少电压下降的波动。在本实施例中是对连接到一件X方向导线上的所有电子发射器件执行“均衡步骤”。然而也可以对某些连接到一件X方向导线上的电子发射器件执行“均衡步骤”。也就是说，不是对所有电子发射器件执行“均衡步骤”而是可以仅仅对指定的电子发射器件来执行。
在按顺序逐个(器件)地执行“均衡步骤”时，利用上述矩阵导线来选择各个器件，以便能够独立驱动，并且能够单独地均衡电子发射器件84。按照这样的方法，电压降不会有影响，但是执行这一步骤所需的时间是与器件数量成正比的。因此，可以根据电子源的尺寸或者是用途来执行任何线顺序步骤，点顺序步骤以及集中的步骤。同样是按照这种方法，均衡步骤不是对所有电子发射器件执行的，而是仅仅对指定的电子发射器件来执行。
以下要参照图9来描述用上述简单矩阵的电子源构成的图像形成装置。图9是图像形成装置的显示面板的一例样板。
在图9中，标号81代表一个设有许多电子发射器件的电子源衬底81，标号91代表用来固定电子源衬底81的一个背板，标号96代表一个面板，在它的一个玻璃衬底93内侧设有荧光薄膜94，金属背板95等等。标号92代表一个支撑框架，用玻璃料等等将背板91和面板96粘接在框架上。标号97代表一个封装，它可以通过在真空或氮气中用400至500℃的温度烘焙10分钟以上而形成并且密封。
如上所述，封装97由面板96，支撑框架92和背板91构成。因为背板91的主要作用是加强电子源衬底81的强度，如果电子源衬底81本身有足够的强度，就不需要单独的背板91。也就是说可以直接将支撑框架92粘接到电子源衬底81上，用面板96，支撑框架92和电子源衬底81来构成封装97。另一方面，在面板96和背板91之间可以提供一个在附图中没有表示的被称为垫片的支撑装置，使封装97能够持久保持对大气的密封。
另外，也可以在形成封装97之后用一个气体引导管98引入一种反应气体，这样就能执行按照本实施例对电子发射部件4的“均衡步骤”。在任何时候都可以用排气管99除去引入的气体和反应产物。
按照本实施例的图像形成装置还可以作为这样一种图像形成装置，例如是用于电视广播，电视会议系统，计算机等装置，以及用感光鼓配置的光学打印机等等的显示器。
(实施例)
以下要具体描述本发明的实施例。
(第一实施例)
按照本发明的第一实施例，在O2气体的条件下从阴极电极和抽取电极之间发射电子，并且执行“均衡步骤”。图1A到1E表示按照本实施例的制造电子发射器件的方法。图3A和3B是制成的电子发射器件的平面图和截面图。以下要描述按照本实施例制造电子发射器件的步骤。
(步骤1(图1A))
清洁一夸脱衬底用来作为衬底1。用溅射法连续蒸发5nm厚的Ti和30nm厚的Pt区作为抽取电极2和阴极电极3。
然后按照光刻工艺用正样板光刻胶(Clariant出产的AZ1500)形成一个耐蚀图形。
接着，以构图的光刻胶作为掩模，用Ar对Pt层和Ti层执行干法蚀刻工艺，形成抽取电极2和阴极电极3，在电极之间有5μm的间隙。
(步骤2(图1B))
然后用蒸气工艺堆积大约100mm厚的Cr。按照光刻工艺用正样板光刻胶(Clariant出产的AZ1500)形成一个耐蚀图形。
接着用构图的光刻胶作为掩模，在阴极电极3上形成用来覆盖电子发射部件4的区域(100平方μm)，并且用一种铈硝酸盐溶液除去Cr的缝隙。
在除去光刻胶之后，用旋转涂层机施加一种在异丙基酒精中添加Pd合成物所获得的合成溶液。
在施加完之后用300℃在空气中执行热处理，在阴极电极3上形成大约10μm厚的钯氧化物41，然后用铈硝酸盐蚀刻溶液除去Cr。
(步骤3(图1C))
在200℃温度下排出空气，在用氮气稀释的2％氢气的气流中执行热处理。在这一步，在阴极电极3表面上形成3到10nm直径的颗粒42。颗粒42的密度据估算大约是1011到1012/cm2。
(步骤4(图1D))
然后，在用氮气稀释的流动的0.1％乙烯中按500℃执行10分钟的热处理。如果用扫描电子显微镜观测这一过程就能证实在Pd涂层区上形成了许多件延伸成10到25nm直径弯曲纤维的碳纤维43。此时的碳纤维43大约有500nm厚。
(步骤5(图1E))
然后将器件置于图2A和2B所示的真空装置20中，用真空泵23抽真空直至达到1×10-5Pa，用气体先导阀22引入O2气体直至真空装置中的真空度达到1×10-4Pa，并且对阴极电极3施加脉冲电压，使抽取电极2处在正电位。在这种状态下持续1小时驱动该系统，使电子发射部件4达到均衡。
用上述步骤形成电子发射器件，并且在图6所示的真空装置60中用排气装置63彻底排气直至达到2×10-6a，并且对如图6所示相距H＝2mm的阳极电极61施加阳极电压Va＝10KV。
此时对电子发射器件施加脉冲电压的器件电压Vf＝20V，并且测量流动的器件电流If和电子发射电流Ie。
电子发射器件的Ie特性显示出Ie从施加电压的一半起突然增大，而在Vf为15V时测得的电子发射电流Ie大约是1μA。这样就能获得Ie随时间波动很小的优良的电子发射特性。
另一方面，If的特性与Ie相似，而数值比Ie小一个数量级。
以下参照图13来说明按照本实施例的均衡步骤的机制。图13表示器件特性在均衡步骤前后的变化。
均衡步骤之前的电子发射器件显示出电子发射特性的门限是Vth1(大约是1V/μm)。这样，如上所述，在O2气体中对器件施加脉冲电压时，器件的电子发射电流由于对上述碳的化学蚀刻机制而突然下降。逐渐升高施加在器件上的电压并执行这一步骤直至在门限电压Vth2上不发射电子为止。
如果在排出O2气体之后评估器件的特性，这一特性已经发生了变化，在门限Vth2上可以发射电子。此时可以设想电子发射所产生的电子发射电流的波动宽度在均衡步骤中已经被减少了，并且电子发射点的数量已经增加了。
按照本实施例获得的器件所发射的电子束的直径在Y方向上长，而在X方向上短，大致呈矩形。
(第二实施例)
在第二实施例中执行的均衡步骤是在O2气体中利用电子发射器件的阴极电极和面对着电子发射器件的阳极之间的偏置来发射电子。
(步骤1)
按照类似于第一实施例的步骤1到4中使用的方法，在衬底1上形成抽取电极2和阴极电极3，并且在衬底1上产生作为电子发射部件4的碳纤维。
(步骤2)
将器件置于图2A和2B所示的真空装置20中，执行排气步骤直至达到2×10-6Pa，用气体先导阀22引入O2气体直至真空装置中的真空度达到1×1-4Pa，并且对电子发射器件的阴极电极3施加Vf＝20V(脉冲宽度为10msec，而脉冲长度是4msec)的脉冲电压，使抽取电极2处在正电位。同时对阳极24施加一个电压Va＝10KV。在这种状态下持续1小时操作该系统，使电子发射部件4达到均衡。
用上述步骤制成的电子发射器件被固定在15V的Vr，阳极间距H被固定在2mm，而驱动器件的阳极电压Va是10KV。这样的配置能够象第一实施例一样获得稳定的Ie。
(第三实施例)
以下要参照图8和9来说明在一个由设有许多电子发射器件的矩阵电子源构成的显示装置中对矩阵的每一条线执行均衡步骤的例子。
在图8中，标号81代表电子源衬底，标号82是X方向导线，标号83是Y方向导线，标号84代表一个电子发射器件，而标号85代表一条连接线。
当许多器件的器件电容增大时，如图8所示，尽管在矩阵导线上施加了伴随脉宽调制的短脉冲，电容元件会使波形变得不清楚，并且会发生无法获得预期灰度级的问题。
因此，按照和第一实施例相同的本实施例，在靠近电子发射部件4处设有一个层间绝缘层，从而减少元件发射区以外的电容元件的增加。
在图8中，X方向导线包括m件导线Dx1，Dx2，...，Dxm，并且是由用蒸气法形成的大约1μm厚300μm宽的铝线材料构成的。这种材料，薄膜的厚度及导线的宽度可以适当地设计。
Y方向导线包括n件导线Dy1，Dy2，...，Dyn，并且是按照X方向导线82类似的方式形成的0.5μm厚100μm宽导线。
在附图的m件X方向导线82和n件Y方向导线83之间没有表示这一层间绝缘层。导线在电路上是隔离的(m和n表示正整数)。
在附图中没有表示的这一层间绝缘层是用溅射法形成的0.8μm厚SiO2构成的。层间绝缘层的厚度是这样确定的，它能够在形成X方向导线82的所有或一部分衬底上形成理想的形状，特别是能够持久承受X方向导线82和Y方向导线83之间的交叉部位上的电位差，这样，每个器件的器件电容在1pF以下，并且本实施例的器件能够承受30V。
X方向导线82和Y方向导线83是作为外部端子的引线。
形成通过m件X方向导线82，n件Y方向导线83和连接线85实现电路连接的电子发射器件84的一对电极(在附图中没有表示)是由导电金属构成的。
按照本实施例，X方向导线和Y方向导线各自连接成阴极电极侧和抽取电极侧。
n件Y方向导线Dy1，Dy2，...，Dyn共同接地，对Dx1施加从正侧到地的脉冲电压，选择电子发射器件84的行Dx1来执行均衡步骤。
然后对Dx2施加相同的电压，选择电子发射器件84的行Dx2来执行均衡步骤。同样在X方向上选择行Dx3，Dx4，...，Dxm来执行均衡步骤。
以下参照图9描述采用简单矩阵阵列的电子源构成的图像形成装置。图9表示用碱石灰玻璃作为衬底材料的图像形成装置的显示面板。
在图9中，标号81代表设有许多电子发射器件的电子源衬底，标号91代表用来固定电子源衬底81的一个背板，而标号96代表一个面板，在其中的玻璃衬底93内部形成荧光体薄膜94，金属背板95等等。标号92代表一个支撑框架，用玻璃料等等将背板91和面板96连接在框架上。标号97代表一个封装，它通过在真空中用450℃的温度烘焙10分钟而密封。
标号84代表一个电子发射器件。X方向导线82和Y方向导线83被连接到电子发射器件的一对器件电极上。X方向导线82和Y方向导线83的各行导线和各列导线被引到封装97外侧作为端子Dox1到Doxm和Doy1到Doyn。
封装97包括上述的面板96，支撑框架92和背板91。另一方面，提供一个称为垫片的支撑体使封装97具有足够的强度能抵御大气压，但是附图中没有表示面板96和背板91之间的这一垫片。
在制成荧光体薄膜94之后，金属背板95在荧光体薄膜94的内表面上执行平滑步骤(形成薄膜)，然后执行真空蒸气步骤等等，从而堆积成Al。
为了提高荧光体薄膜94的传导性，为荧光体薄膜94外侧的面板96设有一个透明电极(在附图中没有表示)。
按照本实施例，因为来自电子源的电子是发射到抽取电极2，如果阳极电压Va是10KV，而阳极间距离H是2mm，荧光体薄膜94就被设在朝抽取电极2偏移200μm的位置。
这样获得的矩阵电子源的每个电子发射器件84都具有相等的特性，并且呈现出很小的Ie分布，因而是一种理想的显示器件。
(第四实施例)
本实施例是一个对显示装置中的每一个电子发射器件执行均衡步骤的例子，这一显示装置是一个图像形成装置，它包括设有许多电子发射器件的一个矩阵电子源。
和第三实施例一样制成图8所示的矩阵电子源。按照本实施例，Y方向导线83被连接到阴极电极，而X方向导线82被连接到抽取电极。
对Dy1和Dx1施加一个电压，选择处在Dy1和Dx1之间的交叉部位上的电子发射器件84进行独立驱动，并且执行均衡步骤。
然后对Dy1和Dx2施加同样的电压，独立选择Dy1和Dx2之间的交叉部位上的电子发射器件84并且执行均衡步骤。同样按顺序对每一个电子发射器件84执行均衡步骤。
象第三实施例中一样，利用按照本实施例制成的矩阵电子源制成如图9所示的显示装置。
就按照上述方式获得的矩阵电子源而言，进一步减少了Ie的分布，并且可推荐作为显示装置等等。
如上所述，按照本发明，电子发射部件4的许多突出部的形状得到了均衡。从而避免了电子发射部件上的局部电场集中，并且能够均衡电子发射特性。另外还能够抑制会造成高电流密度和过载的局部电场集中，从而避免降低发射电流。
这样就能抑制感应的放电，延长电子发射器件的寿命，并且能够长时间维持一种随时间的波动很小的稳定的电子发射电流。
另外，对于具有许多电子发射器件的电子源和图像形成装置，能够稳定地维持每个电子发射器件的电子发射电流。这样就能延长每个象素的寿命，良好地显示一幅图像的亮度，避免图像出现闪烁，从而长时间维持稳定的显示特性。

Claims (24)

1.一种生产电子发射器件的方法，包括以下步骤：
(A)制备一种衬底，该衬底具有配置在该衬底表面上的阴极电极和配置在该阴极电极上的多件主要由碳构成的纤维；
(B)形成与该阴极电极相对的电极；
(C)在减压状态下，向对着该阴极电极的电极加上一个电位，使得对着该阴极电极的电极电位高于阴极电极的电位。
2.如权利要求1所述的生产电子发射器件的方法，其特征在于，上述对着该阴极电极的电极是与衬底保持分开的阳极电极，或者与该阴极电极分开的抽取电极。
3.如权利要求1所述的生产电子发射器件的方法，其特征在于，向对着阴极电极的电极加上一个电位的步骤是增加发射点数量的步骤。
4.如权利要求1所述的生产电子发射器件的方法，其特征在于，施加到对着阴极电极的电极上的上述电位是从多件主要由碳构成的纤维的至少一件上发射电子的电位。
5.如权利要求1所述的生产电子发射器件的方法，其特征在于，在一种气氛中执行向对着阴极电极的电极加上一个电位的上述步骤，该气氛包含从O2、H2、CO2和H2O中选出的气体。
6.如权利要求1-5中任一项所述的生产电子发射器件的方法，其特征在于，向对着阴极电极的电极加上一个电位的上述步骤是在减压条件下，在阴极电极和对着该阴极电极的电极之间，重复加上脉冲电压的步骤，因而对着阴极电极的电极电位高于该阴极电极的电位，使得多件纤维的一部分受到蚀刻。
7.如权利要求1所述的生产电子发射器件的方法，其特征在于，上述纤维用石墨纳米纤维、碳纳米管或非晶体碳纤维制造。
8.如权利要求4所述的生产电子发射器件的方法，其特征在于，向对着阴极电极的电极上施加一个电位的步骤包括利用从至少一个纤维发射电子的热量去掉所述至少一个主要由碳构成的纤维的一部分。
9.一种生产电子源的方法，该电子源包括许多电子发射器件，该方法包括以下步骤：
生产电子发射器件的步骤，该步骤包括以下步骤：
(A)制备一种衬底，该衬底具有配置在该衬底表面上的阴极电极和配置在该阴极电极上的多件主要由碳构成的纤维；
(B)形成与该阴极电极相对的电极；
(C)在减压状态下，向对着该阴极电极的电极加上一个电位，使得对着该阴极电极的电极电位高于阴极电极的电位；以及
排列电子发射器件。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，上述对着该阴极电极的电极是与衬底保持分开的阳极电极，或者与该阴极电极分开的抽取电极。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，向对着阴极电极的电极加上一个电位的步骤是增加发射点数量的步骤。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，加在对着阴极电极的电极上的上述电位是一种电位，在此电位下上述多件主要由碳构成的纤维中的至少一个纤维发射电子。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，向对着阴极电极的电极上施加一个电位的步骤包括利用从至少一个纤维发射电子的热量去掉所述至少一个主要由碳构成的纤维的一部分。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在一种气氛中执行向对着阴极电极的电极加上一个电位的上述步骤，该气氛包含从O2、H2、CO2和H2O中选出的气体。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，上述纤维用石墨纳米纤维、碳纳米管或非晶体碳纤维制造。
16.如权利要求9-15中任一项所述的方法，其特征在于，向对着阴极电极的电极加上一个电位的上述步骤是在减压条件下，在阴极电极和对着该阴极电极的电极之间，重复加上脉冲电压的步骤，因而对着阴极电极的电极电位高于该阴极电极的电位，使得多件纤维的一部分受到蚀刻。
17.一种生产成像装置的方法，该成像装置具有成像部件和电子源，该电子源包括许多电子发射器件，该方法包括以下步骤：
制造成像部件的步骤；
生产电子发射器件的步骤，该步骤包括以下步骤：
(A)制备一种衬底，该衬底具有配置在该衬底表面上的阴极电极和配置在该阴极电极上的多件主要由碳构成的纤维；
(B)形成与该阴极电极相对的电极；
(C)在减压状态下，向对着该阴极电极的电极加上一个电位，使得对着该阴极电极的电极电位高于阴极电极的电位；以及
排列电子发射器件。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，上述对着该阴极电极的电极是与衬底保持分开的阳极电极，或者与该阴极电极分开的抽取电极。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，向对着阴极电极的电极加上一个电位的步骤是增加发射点数量的步骤。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，加在对着阴极电极的电极上的上述电位是一种电位，在此电位下上述以碳为主要成份的多件纤维中的至少一件纤维发射电子。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，向对着阴极电极的电极上施加一个电位的步骤包括利用从至少一个纤维发射电子的热量去掉所述至少一个主要由碳构成的纤维的一部分。
22.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在一种气氛中执行向对着阴极电极的电极加上电位的上述步骤，该气氛包含从O2、H2、CO2和H2O中选出的气体。
23.如权利要求17所述的方法，其特征在于，上述纤维用石墨纳米纤维、碳纳米管或非晶体碳纤维制造。
24.如权利要求17-23中任一项所述的方法，其特征在于，向对着阴极电极的电极加上一个电位的上述步骤是在减压条件下，在阴极电极和对着该阴极电极的电极之间，重复加上脉冲电压的步骤，因而对着阴极电极的电极电位高于该阴极电极的电位，使得多件纤维的一部分受到蚀刻。
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