DE69532007T2

DE69532007T2 - Verfahren zur Herstellung einer Elektronen emittierenden Vorrichtung,

Info

Publication number: DE69532007T2
Application number: DE69532007T
Authority: DE
Inventors: Fumio Ohta-ku Kishi; Masato Ohta-ku Yamanobe; Takeo Ohta-ku Tsukamoto; Toshikazu Ohta-ku Ohnishi; Sotomitsu Ohta-ku Ikeda; Yasuhiro Ohta-ku Hamamoto; Kazuya Ohta-ku Miyazaki; Keisuke Ohta-ku Yamamoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-08-29
Filing date: 1995-08-25
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2015-08-26
Also published as: CN1238548A; US7057336B2; EP0915493B1; DE69510624D1; AU3022695A; CN1056013C; US20030222570A1; US6608437B1; ATE182030T1; CA2155270C; AU708413B2; US6179678B1; US20070249255A1; CN1126884A; ATE252768T1; CN1165937C; US7234985B2; KR100220359B1; EP0701265B1; CA2155270A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronen-emittierenden Vorrichtung wie in Patentansprüchen 1, 2 und 6 definiert, die frei ist von einem Qualitätverlust, wenn sie einem langen Gebrauch unterzogen wird, und ebenfalls frei ist von dem unerwünschten Phänomen elektrischer Entladung bei einer daran angelegten Spannung und derart, dass die sich ergebende Vorrichtung Elektronen stabil und effizient für eine lange Zeit emittieren kann. Sie betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronenquelle wie in Patentansprüchen 14 und 15 definiert und ein Verfahren zur Herstellung eines Bilderzeugungsgeräts wie in Patentanspruch 16 definiert. Das Bilderzeugungsgerät kann ein Anzeigegerät oder ein Belichtungsgerät sein, welches die Elektronen-emittierenden Vorrichtungen aufweist.
Zwei Bauarten Elektronen-emittierender Vorrichtungen sind bekannt; die thermionische Kathodenbauart sowie die kalte Kathodenbauart. Von diesen betrifft die kalte Kathodenemissionsbauart Vorrichtungen, die Vorrichtungen der Feldemissionsbauart (nachstehend auch als FE-Bauart bezeichnet), Elektronen-emittierende Vorrichtungen der Metall/Isolationsschicht/Metall-Bauart (nachstehend auch als die MIM-Bauart bezeichnet) und Oberflächenleitungs-Elektronenemittierende Vorrichtungen umfaßt. Beispiele von Vorrichtungen der FE-Bauart schließen jene von W. P. Dyke & W. W. Dolen in "Field emission", Advance in Electron Physics, 8, 89 (1956) und C. A. Spindt, in "Physical Properties of thin-film field emission cathodes with molybdenum cones" in J. Appl. Phys., 47, 5284 (1976) vorgeschlagenen Beispiele ein.
Beispiele von MIM Vorrichtungen sind in Veröffentlichungen wie zum Beispiel C. A. Mead, "The tunnel-emission amplifier", in J. Appl. Phys., 32, 646 (1961) offenbart.
Beispiele für eine Oberflächenleitungs-Elektronenemittierende Vorrichtung schließen eine von M. I. Elinson, in Radio Eng. Electron Phys., 10 (1965) vorgeschlagene ein.
Eine Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtung wird unter Ausnutzung des Phänomens verwirklicht, daß Elektronen aus einem kleinen auf einem Substrat ausgebildeten Dünnfilm emittiert werden, wenn ein elektrischer Strom zwangsweise parallel zu der Filmoberfläche fließt. Während Elinson die Verwendung eines SnO₂ Dünnfilms für eine Vorrichtung dieser Bauart vorschlägt, wird die Verwendung eines Au-Dünnfilms in [G. Dittmer: "Thin Solid Films", 9, 317 (1972)] vorgeschlagen, wohingegen die Verwendung von In₂O₃/SnO₂ und die eines Kohlenstoff-Dünnfilms jeweils in [M. Hartwell und C. G. Fonstad: "IEEE Trans. ED Conf.", 519 (1975)] und [H. Araki et al.: "Vacuum", Band 26, Nr. 1, Seite 22 (1983)] jeweils diskutiert werden.
33 der beigefügten Zeichnung zeigt schematisch eine typische Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtung, wie sie von M. Hartwell vorgeschlagen wurde. In 33 bezeichnet Bezugszahl 1 ein Substrat. Bezugszahl 4 bezeichnet einen elektrisch leitfähigen dünnen Film, der normalerweise hergestellt wird, indem ein H-förmiger dünner Metalloxidfilm mittels Sputtern erzeugt wird, wobei ein Teil dessen letztendlich einen Elektronen-emittierenden Bereich 5 ausmacht, wenn er einem nachstehend beschriebenen, als "Erregungsausbildungs"-Vorgang bezeichneten elektrischen Erregungsvorgang unterzogen wird. In 33 hat das dünne horizontale Gebiet des ein Paar von Vorrichtungs elektroden trennenden Metalloxidfilms eine Länge L von 0,5 bis 1 [mm] und eine Breite W' von 0,1 [mm].
Herkömmlicherweise wird ein Elektronen-emittierender Bereich 5 bei einer Oberflächenleitungs-Elektronenemittierenden Vorrichtung erzeugt, indem der elektrisch leitfähige Dünnfilm 4 der Vorrichtung einem vorläufigen elektrischen Erregungsvorgang unterzogen bzw. ausgesetzt wird, der als "Erregungsausbildung" bezeichnet wird. Bei dem Erregungsausbildungsvorgang wird eine konstante Gleichspannung oder eine langsam ansteigende Gleichspannung, die typischerweise mit einer Rate von einem 1 V/min ansteigt, an vorhandene gegenüberliegende Enden des elektrisch leitfähigen Dünnfilms 4 angelegt, um den Film teilweise zu zerstören, deformieren bzw. verformen, oder umzuwandeln, und einen Elektronen-emittierenden Bereich 5 zu erzeugen, der elektrisch hochohmig ist. Folglich ist der Elektronenemittierende Bereich 5 Teil des elektrisch leitfähigen Dünnfilms 4, der typischerweise einen Spalt oder Spalte darin aufweist, so daß Elektronen aus dem Spalt emittiert werden können.
Nach dem Erregungsausbildungsvorgang wird die Elektronen-emittierende Vorrichtung einem Aktivierungsvorgang unterzogen, bei dem ein Film (Kohlenstofffilm) aus Kohlenstoff und/oder einer oder mehr als einer Kohlenstoffverbindung in der Nähe des Spalts der Elektronenquelle ausgebildet wird, um die Elektronen-emittierende Fähigkeit der Vorrichtung zu verbessern. Der Vorgang wird normalerweise ausgeführt, indem eine Impulsspannung an die Vorrichtung angelegt wird, wobei dies in einer Atmosphäre erfolgt, die eine oder mehr als eine organische Substanzen enthält, so daß Kohlenstoff und/oder eine oder mehr als eine Kohlenstoffverbindung in der Nähe des Elektronen-emittierenden Bereichs abgeschieden werden kann bzw. können. Eine Beschreibung dieses Aktivierungsvorgangs ist beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 660 357 angegeben, welche Stand der Technik im Sinne des Artikels 54(3) EPÜ darstellt. Es ist zu beachten, daß ein abgeschiedener Kohlenstofffilm hauptsächlich an der Anodenseite des elektrisch leitfähigen Dünnfilms zu finden ist und lediglich in geringem Ausmaß, wenn überhaupt, an der Kathodenseite. In einigen Fällen kann ein "Stabilisierungs-Vorgang" bezüglich der Elektronenemittierenden Vorrichtung ausgeführt werden, um zu verhindern, daß Kohlenstoff und/oder eine oder mehr als eine Kohlenstoffverbindung übermäßig abgeschieden wird bzw. werden, und die Vorrichtung kann eine stabilisierte Funktion beim Betrieb der Elektronenemission zeigen. Bei dem Stabilisierungsvorgang werden jegliche organische Substanzen, die in den Randbereichen der Vorrichtung adsorbiert wurden und jene, die in der Atmosphäre verblieben sind, entfernt.
Damit eine Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtung zufriedenstellend bei praktischen Anwendungen arbeitet, muß sie eine Anzahl von Anforderungen erfüllen, einschließen derjenigen, daß sie einen großen Emissionsstrom Ie und einen hohen Elektronenemissionswirkungsgrad η hat (= Ie/If, wobei If den Strom bezeichnet, der zwischen den zwei Vorrichtungselektroden fließt, der als Vorrichtungsstrom bezeichnet ist), daß sie nach einer langen Benutzung bzw, langem Betrieb hinsichtlich der Elektronen-emission stabil arbeiten muß, und daß kein elektrisches Entladungsphänomen an der Vorrichtung beobachtet werden sollte, wenn eine Spannung an die Vorrichtung angelegt wird (zwischen die zwei Vorrichtungselektroden und zwischen die Vorrichtung und einer Anode).
Während die Funktion einer Elektronen-emittierenden Vorrichtung durch eine Anzahl von Faktoren bestimmt bzw. beeinflußt ist, fanden die Erfinder der vorliegenden Erfindung heraus, daß die Funktion stark mit der Form, der Verteilung und der Zusammensetzung des auf dem Elektronen-emittierenden Spalt und in dessen Nähe bei dem Aktivierungsvorgang ausgebildeten Kohlenstofffilm korreliert, so wie mit den Bedingungen, unter denen der Aktivierungsvorgang bzw. Aktivierungsprozeß erfolgt.
Eine Elektronen-emittierende Vorrichtung ist angegeben, mit einem Kohlenstofffilm, der aus Graphit besteht und innerhalb des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs ausgebildet ist, wie es in 1A und 1B der beigefügten Zeichnung dargestellt ist. Während die Vorrichtung gemäß 1A und 1B praktisch keinen Kohlenstofffilm außerhalb des Spalts trägt bzw. aufweist, kann ein Kohlenstofffilm gleichfalls außerhalb des Spalts ausgebildet sein. Obwohl Graphit eine kristalline Substanz ist, die lediglich Kohlenstoffatome enthält, kann seine Kristallinität bis zu einem gewissen Ausmaß von "Störungen" bzw. Verwerfungen verschiedener Arten begleitet sein. Für die Zwecke der Erfindung ist jedoch ein Kohlenstofffilm aus hochkristallinem Graphit innerhalb des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs ausgebildet.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung gibt es ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronen emittierenden Vorrichtung mit einem Paar von Elektroden und einem zwischen den Elektroden angeordneten elektrisch leitfähigen Film, der einen Elektronen emittierenden Bereich enthält, wobei das Verfahren einen Schritt aufweist:
Ausbilden eines Paars von Elektroden auf einem Substrat, wobei zwischen den Elektroden ein elektrisch leitfähiger Film mit einem Spalt ausgebildet ist; gekennzeichnet durch einen darauffolgenden Schritt:
Abscheiden von Kohlenstoff oder einer Kohlenstoffverbindung zumindest in dem Spalt, wobei dies durch Anlegen einer Spannung an den elektrisch leitfähigen Film in einer Atmosphäre erfolgt, die eine oder mehr als eine organische Substanz und ein Gas enthält, das eine durch die folgende allgemeine Formel ausgedrückte Zusammensetzung hat: XY, wobei X und Y jeweils entweder ein Wasserstoff- oder ein Ha logenatom darstellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung gibt es ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronen emittierenden Vorrichtung mit einem Paar von Elektroden und einem zwischen den Elektroden angeordneten elektrisch leitfähigen Film, der einen Elektronen emittierenden Bereich enthält, wobei das Verfahren einen Schritt aufweist:
Ausbilden eines Paars von Elektroden auf einem Substrat, wobei zwischen den Elektroden ein elektrisch leitfähigen Film mit einem Spalt ausgebildet ist, und
Anlegen einer Spannung an den elektrisch leitfähigen Film in einer Atmosphäre, die eine oder mehr als eine organische Substanz enthält, wobei die Spannung eine bipolare Impulsspannung ist.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung gibt es ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronen emittierenden Vorrichtung mit einem Paar von Elektroden und einem zwischen den Elektroden angeordneten elektrisch leitfähigen Film, der einen Elektronen emittierenden Bereich enthält, wobei das Verfahren einen Schritt aufweist:
Ausbilden eines Paars von Elektroden auf einem Substrat, wobei zwischen den Elektroden ein elektrisch leitfähiger Film ausgebildet ist, der einen Spalt enthält;
Abscheiden von Kohlenstoff oder einer Kohlenstoffverbindung zumindest im dem Spalt; und Entfernen aller von Grafit unterschiedlichen Abscheidungen von dem Kohlenstoff oder der Kohlenstoffverbindung.
In den beigefügten Zeichnungen
1A und 1B sind schematische Darstellungen, die eine Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtung einer ebenen Bauart darstellen.
2 zeigt einen Graphen, der das Ergebnis einer Raman-Spektrosmetrieanalyse wiedergibt.
3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung einer Stufenbauart.
4A bis 4D sind schematische Seitenansichten einer Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung bei unterschiedlichen Herstellungsstufen.
5A und 5B sind Graphen, die schematisch Dreieckimpulsspannungssignalverläufe darstellen, die bei der Herstellung verwendet werden können.
6A und 6B sind Graphen, die schematisch Rechteckimpulsspannungssignalverläufe zeigen, die bei der Herstellung verwendet werden können.
7 ist ein Blockschaltbild eines Eichsystems zur Bestimmung der Elektronenemissionsfunktion einer Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung.
8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Vorrichtungsspannung und dem Vorrichtungsstrom sowie die Beziehung zwischen der Vorrichtungsspannung und dem Emissionsstrom einer Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung oder einer Elektronenquelle zeigt.
9 ist eine schematische Teildraufsicht auf eine Elektronenquelle einer Matrix-Verdrahtungsbauart.
10 ist eine teilweise aufgebrochene schematische Perspektivansicht eines Bilderzeugungsgeräts, welches eine Elektronenquelle einer Matrix-Verdrahtungsbauart aufweist.
11A und 11B sind schematische Darstellungen, die zwei mögliche Konfigurationen eines Fluoreszenzfilms der Frontplatte eines Bilderzeugungsgeräts darstellen.
12 ist ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung eines Bilderzeugungsgeräts.
13 ist eine schematische Draufsicht auf eine Elektronenquelle einer Leiter-Verdrahtungsbauart.
14 ist eine teilweise aufgebrochene schematische Perspektivansicht eines Bilderzeugungsgeräts mit einer Elektronenquelle einer Leiter-Verdrahtungsbauart.
15 ist eine schematische Darstellung eines durch ein TEM beobachteten Gitterbildes.
16 ist eine schematische Darstellung von durch ein TEM beobachteten kapselartigen Graphits.
17 ist eine schematische Seitenansicht einer bei Beispiel 1 erhaltenen Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung.
18 ist eine schematische Seitenansicht einer bei Beispiel 2 erhaltenen Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung.
19 ist eine schematische Seitenansicht einer bei einem Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung.
20 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Geräts zur Herstellung eines Bilderzeugungsgeräts.
21 ist ein Graph, der die Kristallinitätsverteilung eines Graphitfilms zeigt, die durch einen Laser-Raman-Spektrometrie-Analysator gemessen wurde.
22 ist eine schematische Seitenansicht einer bei Vergleichsbeispiel 5 erhaltenen Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung.
23 ist eine schematische Darstellung eines durch ein TEM beobachteten Graphitfilms der Beispiele 8 bis 11.
24A ist eine schematische Seitenansicht von bei Beispielen 8 und 9 erhaltenen Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen, und 24B ist eine schematische Seitenansicht einer bei Beispiel 10 erhaltenen Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung.
25 ist eine schematische Seitenansicht einer bei Beispiel 11 erhaltenen Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung.
26 ist eine schematische Seitenansicht einer bei Beispiel 21 erhaltenen Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung.
27 ist eine schematische Teildraufsicht auf eine Elektronenquelle einer Matrix-Verdrahtungsbauart.
28 ist eine schematische Teilschnittansicht der Elektronenquelle aus 27 entlang der Linie 28-28.
29A bis 29H sind schematische Teilschnitt-Seitenansichten einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle einer Matrix-Verdrahtungsbauart bei unterschiedlichen Herstellungsstufen.
30 ist eine schematische Draufsicht auf eine Elektronenquelle einer Matrix-Verdrahtungsbauart, die deren parallel geschaltete "Y-Richtungsverdrahtungen" zur "Erregungsausbildung" darstellt.
31 ist ein Blockschaltbild eines Bilderzeugungsgeräts.
32A bis 32C sind schematische Teildraufsichten auf eine Elektronenquelle einer Leiter-Verdrahtungsbauart bei unterschiedlichen Herstellungsstufen.
33 ist eine schematische Draufsicht auf eine herkömmliche Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtung.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiel
Zum Zweck der Erfindung wird die Kristallinität des Graphits qualitativ und quantitativ bestimmt, indem das Kristallgitter der Probe bzw. des Probenstücks mittels eines Transmissionselektronenmikroskops und Raman-Spektrometrie-Analyse beobachtet wird. Bei den nachstehend beschriebenen Beispielen wurde ein Laser-Raman-Spektrometer benutzt, das mit einer Laserquelle eines Ar-Lasers versehen war, der eine Wellenlänge von 514,5 nm hatte und entworfen war, um einen Laserlichtfleck mit einem Durchmesser von etwa 1 μm auf der Probe zu erzeugen. Wenn der Laserlichtfleck nahe dem Elektronen-emittierenden Bereich der getesteten Elektronenemittierenden Vorrichtung angeordnet war und das gestreute Licht beobachtet wurde, wurde ein Spektrum mit Peaks bzw. Spitzenwerten in der Nähe von 1,335 cm^–1 (P1) und in der Nähe von 1,580 cm^–1 (P2) erhalten, um die Existenz eines Kohlenstofffilms nachzuweisen. Das erhaltene Spektrum wurde künstlich gut wiedergegeben bzw. reproduziert, indem eine gaussartige Verteilung des Peak-Profils und die Existenz eines dritten Peaks in der Nähe von 1,490 cm^–1 angenommen wurde. Die Teilchengröße des Graphits von jeder Probe kann geschätzt werden, indem die Intensität des Lichts an den Peaks bzw. Spitzenwertstellen verglichen wird, und die Abschätzungen bei den Beispielen stimmten ziemlich gut mit den durch TEM Beobachtung erhaltenen Ergebnissen überein.
Der Peak P2 ist dem Phänomen eines Elektronenübergangs zuzuordnen, der in der Graphitstruktur stattfindet, wohingegen ein Peak P1 aufgrund von Verwerfungen in der Kristallinität bzw. Kristallstruktur von Graphit bedingt ist. Daher tritt ein Peak P1 auf und wird beobachtbar, wenn die kristallinen Teilchen des Graphits sehr klein sind und/oder das Kristallgitter des Graphits Defekte aufweist, obwohl in einem idealen Graphit-Einkristall nur angenommen wird, daß der Peak P2 beobachtbar ist. Der Peak P1 steigt mit der Verringerung der Kristallinität des Graphits an und die Halbwertsbreiten der Peaks steigen an, wenn die Periodizität der Graphit-Kristallstruktur gestört ist.
Da ein im Verlauf der Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugter Graphitfilm nicht notwendigerweise aus idealem einkristallinem Graphit besteht, wird dabei ein Peak P1 typischerweise beobachtet, wobei die Halbwertsbreite des Peaks effektiv dazu benutzt werden kann, um die Kristallinität des Graphits quantitativ abzuschätzen bzw. zu bestimmen. Wie nachstehend ausführlich beschrieben wird, scheint ein Wert von etwa 150 cm^–1 eine Grenze für die Stabilität der Elektronen-emittierenden Funktion einer erfindungsgemäßen Elektronen-emittierenden Vorrichtung darzustellen. Damit eine Elektronen-emittierende Vorrichtung ordnungsgemäß arbeitet, muß entweder die Halbwertsbreite einen Wert kleiner als 150 cm^–1 haben, oder der Peak P1 muß ausreichend niedrig sein.
Eine die vorstehenden Anforderungen erfüllende Elektronen-emittierende Vorrichtung hat die folgenden Effekte.
Eine Verschlechterung bzw. Degradation einer Elektronen-emittierenden Vorrichtung als Funktion der Zeit hinsichtlich ihrer Elektronen-emittierenden Funktion ist unter anderem einem unnötigen Wachstum oder, im umgekehrten Fall, einer Verringerung des abgeschiedenen Kohlenstofffilms zuzuordnen.
Ein derartiges unnötiges Wachstum der Abscheidung kann wirksam unterdrückt werden, indem alle Kohlenstoffverbindungen aus der Atmosphäre bzw. der Umgebung beseitigt werden, in der die Vorrichtung zu ihrem Betrieb angesteuert wird. Ein vorstehend bereits erwähnter "Stabilisierungsvorgang" wird hauptsächlich ausgeführt, damit eine Atmosphäre geschaffen ist, die frei von Kohlenstoffverbindungen ist.
Obwohl viele Gründe für eine mögliche Verringerung der Kohlenstoffabscheidung bzw. Kohlenstoffablagerung denkbar sind, kann ein spezieller Grund darin liegen, daß der Kohlenstofffilm graduell bzw. allmählich durch in der die Vorrichtung umgebenden Atmosphäre verbleibenden O₂ und/oder H₂O geätzt wird. Folglich ist es ebenso notwendig, derartige Gase aus der Atmosphäre zu entfernen.
Die Elektronen-emittierende Funktion einer Elektronen-emittierenden Vorrichtung kann gleichfalls durch ein Phänomen beeinträchtigt werden, daß die gegenüberliegenden Enden des den Spalt des Elektronen-emittierenden Bereichs definierenden elektrisch leitfähigen Dünnfilms allmählich voneinander zurücktreten, so daß der Spalt erweitert wird. Es wurde entdeckt, daß ein derartiges Phänomen zu einem gewissen Grad unterdrückt werden kann, wenn ein Kohlenstofffilm an jedem der Enden des elektrisch leitfähigen Dünnfilms ausgebildet ist, und daß der Effekt der Unterdrückung der Erweiterung des Spalts insbesondere dann beträchtlich ist, wenn der Kohlenstofffilm aus hochkristallinem Graphit besteht.
Der vorstehend erwähnte Effekt kann gleichfalls erreicht werden, indem ein Graphitfilm auf jedem, dem anoden- und kathodenseitigen Ende des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs ausgebildet wird. Es ist zu beachten, daß der Graphit das vorstehend definierte Ausmaß an Kristallinität aufweisen muß. Es ist ebenfalls zu beachten, daß, wenn eine Elektronen-emittierende Vorrichtung einem herkömmlichen Stabilisierungsvorgang unterzogen wird, ein Kohlenstofffilm lediglich an dem anodenseitigen Ende des Spalts und nicht an dem kathodenseitigen Ende ausgebildet wird. Folglich zeigt das Ende des elektrisch leitfähigen Dünnfilms eine graduelle bzw. allmähliche Retraktion an dem kathodenseitigen Ende des Spalts sowie einen erweiterten Spalt über eine lange Zeitperiode des Elektronen-emittierenden Betriebs, was nicht vollständig unterdrückt werden kann, es sei denn, daß ein Graphitfilm an jedem Ende des Spalts ausgebildet ist. Hinsichtlich der elektrischen Funktion der Vorrichtung können der Kriechstrom und folglich der Vorrichtungsstrom If in der Vorrichtung verringert werden, und gleichzeitig der Elektronenemissionsstrom Ie der Vorrichtung durch Anlegen einer relativ hohen Spannung bei einem Aktivierungsvorgang erhöht werden, so daß infolge ein hoher Elektronenemissionswirkungsgrad η = Ie/If erzielt werden kann.
Nunmehr tritt ein elektrisches Entladungsphänomen auf, wenn eine Spannung zwischen den Vorrichtungselektroden und/oder die Vorrichtung und eine Anode angelegt wird, und dieses kann die Elektronen-emittierende Vorrichtung beschädigen. Daher sollte ein derartiges Phänomen gründlich unterdrückt werden. Obwohl eine elektrische Entladung auftreten kann, wenn die Elektronen-emittierende Vorrichtung umgebende Gasmolekühle ionisiert werden, ist der Druck des die Vorrichtung umgebenden Gases normalerweise zu gering, damit eine elektrische Entladung stattfindet. Wenn elektrische Entladung auftritt, während die Elektronen-emittierende Vorrich tung zum Betrieb angesteuert wird, dann impliziert dies, daß Gas irgendwo um die Vorrichtung aus irgendeinem Grund erzeugt wurde. Von möglichen Gasquellen ist die wichtigste der an der Vorrichtung zur Aktivierung abgeschiedene Kohlenstofffilm. Selbstverständlich kann normalerweise kein Gas um den Film herum verbleiben, um ionisiert zu werden, da der in dem Spalt des Elektronen-emittierenden Bereichs der Vorrichtung angeordnete Kohlenstofffilm konstant einer thermischen Erwärmung beziehungsweise Joule-Wärme sowie Elektronen, die mit diesem kollidieren können, ausgesetzt ist.
Andererseits kann der Kohlenstoffilm außerhalb des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs der Vorrichtung Wasserstoff enthalten, der in dem die kristallinen Partikel des Graphit umgebenden Raum verweilt, und wenn der Film aus amorphem Kohlenstoff oder einer Kohlenstoffverbindung besteht, kann der Film Wasserstoff als einen Bestandteil davon enthalten, der schließlich freigegeben wird, um zu Kohlenwasserstoffgas zu werden. Obwohl das elektrische Entladungsphänomen, welches bei einer Elektronen-emittierenden Vorrichtung stattfinden kann, bis heute noch nicht völlig geklärt ist, kann es zufriedenstellend unterdrückt werden, indem vernünftige Gegenmaßnahmen getroffen werden, die die obigen Erläuterungen berücksichtigen.
Genauer kann eine Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtung gemäß der Erfindung einen Graphitfilm einer gewünschten Kristallinität in dem Spalt aufweisen, und weist im wesentlichen keinen Kohlenstofffilm außerhalb des Spalts auf, um das elektrische Entladungsphänomen zu vermeiden.
Wenn eine mögliche Gasquelle außerhalb des Spalts und des Elektronen-emittierenden Bereichs in dem elektrisch leitfähigen Dünnfilm einer Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung existiert, können von der Vor richtung emittierte und in Richtung einer außerhalb der Vorrichtung angeordneten Anode geleitete Elektronen teilweise von der Anode der Vorrichtung angezogen werden und in den Spalt gelangen und teilweise mit Molekülen des in dem Spalt verbleibenden Gases kollidieren, was wiederum positive Ionen erzeugt, die durch die Kathode der Vorrichtung angezogen werden. Ein Nettoergebnis wird dann darin bestehen, daß der Kohlenstofffilm Gas erzeugt und ggf. Anlaß zu einem elektrischen Entladungsphänomen gibt.
Folglich kann bei der Vorrichtung wirksam die Erzeugung von Gas und das Auftreten elektrischer Entladung unterdrückt sein, wenn bei dem elektrisch leitfähigen Dünnfilm kein Kohlenstofffilm außerhalb des Spalts mehr vorliegt. Tatsächlich haben die durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung getroffenen Maßnahmen zur Beseitigung jeglichen Kohlenstofffilms außerhalb des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs sich als äußerst wirksam erwiesen, was nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Eine Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtung kann unterschiedlich beschaffen bzw. konfiguriert sein, um das elektrische Entladungsphänomen zu beseitigen. Genauer, kann das elektrische Entladungsphänomen wirksam durch Verbesserung der Kristallinität des Kohlenstofffilms unterdrückt werden, der außerhalb des Spalts des Elektronen emittierenden Bereichs existiert.
Es sollte auch beachtet werden, daß jede der vorstehend beschriebenen Konfigurationen auch die Elektronen-emittierende Funktion einer Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung verbessern kann.
Nunmehr wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung beschrieben.
1A und 1B sind schematische Darstellungen, die eine Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtung der Flachbauart zeigen, wobei 1A eine Draufsicht und 1B eine seitliche Schnittansicht ist.
Mit Bezug auf 1A und 1B umfaßt die Vorrichtung ein Substrat 1, ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3, einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 sowie einen Elektronen-emittierenden Bereich 5 mit einem darin ausgebildeten Spalt.
Für das Substrat 1 verwendbare Materialien schließen Quarzglas, Dotierstoffe wie beispielsweise Na in einem verringerten Konzentrationsgrad enthaltendes Glas, Kalknatronglas, ein durch Ausbilden einer SiO₂-Schicht auf Kalknatronglas mittels Sputtering ausgebildetes Glassubstrat, keramische Substanzen wie beispielsweise Tonerde bzw. Aluminiumoxid ein.
Während die einander gegenüberliegend angeordneten Vorrichtungselektroden 2 und 3 aus irgendeinem hochleitfähigen Material hergestellt sein können, umfassen bevorzugte Materialkandidaten Metalle wie beispielsweise Ni, Cr, Au, Mo, W, Pt, Ti, Al, Cu und Pd sowie deren Legierungen, druckbare leitfähige Materialien, bestehend aus einem Metall oder Metalloxid, das aus Pd, Ag, RuO₂, Pd-Ag und Glas ausgewählt sind, transparente leitfähige Materialien wie beispielsweise In₂O₃-SnO₂ und Halbleitermaterialien wie beispielsweise Polysilizium.
Der die Vorrichtungselektroden trennende Abstand L, die Länge W der Vorrichtungselektroden, die Kontur bzw. der Umriß des elektrisch leitfähigen Films 4 sowie weitere Faktoren für den Entwurf bzw. die Gestaltung einer erfindungsgemäßen Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung können abhängig von dem Anwendungsgebiet der Vorrichtung bestimmt werden. Der die Vorrichtungselektroden 2 und 3 trennende Abstand L beträgt vorzugsweise zwischen Hunderten von Nanometern und Hunderten von μm (Mikrometern) und weiterhin vorzugsweise zwischen mehreren μm (Mikrometern) und mehreren zehn μm (Mikrometern), abhängig von der an die Vorrichtungselektroden anzulegenden Spannung und der zur Elektronenemission verfügbaren Feldstärke.
Die Länge W in der Vorrichtungselektroden 2 und 3 liegt vorzugsweise zwischen mehreren μm (Mikrometern) und mehreren Hundert μm (Mikrometern), abhängig von dem Widerstand der Elektroden und den Elektronenemissionseigenschaften der Vorrichtung. Die Filmdicke d der Vorrichtungselektroden 2 und 3 liegt zwischen einigen zehn nm (Nanometern) und einigen μm (Mikrometern).
Eine erfindungsgemäße Oberflächenleitungs-Elektronen emittierende Vorrichtung kann eine von der in 1A und 1B gezeigten Konfiguration abweichende Konfiguration haben, und alternativ kann sie durch Legen bzw. Auflegen eines einen Elektronen emittierenden Bereich enthaltenden Dünnfilms auf ein Substrat 1, gefolgt von einem Paar einander gegenüberliegend angeordneter Vorrichtungselektroden 2 und 3 auf dem Dünnfilm hergestellt werden.
Der elektrisch leitfähige Dünnfilm 4 ist vorzugsweise ein Film aus feinen Partikeln, um ausgezeichnete Elektronen-emissionseigenschaften bereitzustellen. Die Dicke des elektrisch leitfähigen Dünnfilms 4 wird als eine Funktion der abgestuften Abdeckung des elektrisch leitfähigen Dünnfilms auf den Vorrichtungselektroden 2 und 3, dem elektrischen Widerstand zwischen den Vorrichtungselektroden 2 und 3, sowie den Parametern für den nachstehend noch beschriebenen Bildungsvorgang sowie anderen Faktoren bestimmt, und sie liegt vorzugsweise zwischen einem Zehntel eines nm (Nanometers) und einigen Hundert nm (Nanometern), und am besten zwischen einem nm (einem Nanometer) und 50 nm (Nanometern). Der elektrisch leitfähige Dünnfilm 4 zeigt normaler weise einen Widerstand pro Oberflächeneinheit Rs zwischen 10² und 10⁷ Ω/cm². Es ist zu beachten, daß Rs der Widerstand ist, der durch R = Rs(l/w) definiert ist, wobei t, w und l jeweils die Dicke, die Breite und die Länge des Dünnfilms sind. Es ist ebenfalls zu beachten, daß obwohl der Bildungsvorgang anhand eines Erregungsausbildungsvorgangs zum Zweck der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, er nicht darauf beschränkt ist, und aus einer Anzahl unterschiedlicher physikalischer oder chemischer Prozesse bzw. Vorgänge ausgewählt werden kann, mit denen ein Spalt in einem Dünnfilm gebildet werden kann, um dort einen hochohmigen Bereich zu erzeugen.
Der elektrisch leitfähige Dünnfilm 4 besteht aus feinen Partikeln eines Materials, das aus Metallen wie beispielsweise Pd, Ru, Ag, Au, Ti, In, Cu, Cr, Fe, Zn, Sn, Ta, W und Pb, Oxiden wie beispielsweise PdO, SnO₂, In₂O₃, PbO und Sb₂O₃, Boriden wie zum Beispiel HfB₂, ZrB₂, LaB₂, CeB₆, YB₄ und GdB₄, Karbiden wie beispielsweise TiC, ZrC, HfC, TaC, SiC, und WC, Nitriden wie beispielsweise TiN, ZrN und HfN, Halbleitern wie beispielsweise Si und Ge sowie Kohlenstoff ausgewählt ist.
Der hierin benutzte Ausdruck "Film aus feinen Partikeln" bezieht sich auf einen Dünnfilm, der aus einer großen Anzahl feiner Partikel gebildet ist, die lose dispergiert, eng zusammen angeordnet oder einander gegenseitig und zufällig überlappend angeordnet sein können (um unter gewissen Bedingungen eine Inselstruktur zu bilden).
Der Durchmesser feiner Partikel, die zum Zweck der vorliegenden Erfindung zu verwenden sind, liegt zwischen einem Zehntel eines Nanometers und mehreren Hundert Nanometern, und vorzugsweise zwischen einem Nanometer und 20 Nanometern.
Da der Ausdruck "feiner Partikel" hier häufig verwendet wird, wird er nachstehend ausführlicher beschrieben.
Ein kleiner Partikel beziehungsweise kleines Teilchen wird als ein "feiner Partikel" bezeichnet, und ein Partikel, der kleiner ist als ein feiner Partikel wird als ein "ultrafeiner Partikel" bezeichnet. Ein Partikel, der kleiner ist als ein "ultrafeiner Partikel" und aus einigen hundert Atomen gebildet ist, wird als "Cluster" bezeichnet.
Jedoch sind diese Definitionen nicht streng zu sehen und der Definitionsbereich jedes Ausdrucks kann abhängig von dem besonderen Aspekt des zu behandelnden Partikels variieren. Ein "ultrafeiner Partikel" kann auch lediglich als ein "feiner Partikel" bezeichnet werden, wie es der Fall bei dieser Patentanmeldung ist.
"The Experimental Physics Course No. 14: Surface/Fine Particle" (Herausgeber: Koreo Kinoshita; Kyoritu Publication, 1. September 1986) beschreibt es wie folgt.
„Ein feiner Partikel wie er hierin bezeichnet ist, bezieht sich auf einen Partikel mit einem Durchmesser irgendwo zwischen 2 bis 3 μm und 10 nm, und ein ultrafeiner Partikel, wie er hierin bezeichnet ist, meint Partikel mit einem Durchmesser irgendwo zwischen 10 nm und 2 bis 3 nm. Jedoch sind diese Definitionen keineswegs streng, und ein ultrafeiner Partikel kann gleichfalls lediglich als ein feiner Partikel bezeichnet werden. Daher sind diese Definitionen in jedem Fall eine Faustregel. Ein Partikel, der aus zwei bis mehreren hundert Atomen besteht, wird als Cluster bezeichnet"(a. a. O., Seite 195, Zeilen 22 bis 26).
Weiterhin definiert "Hayashi's Ultrafine Particle Project" der New Technology Development Corporation einen ultrafeinen Partikel unter Verwendung einer kleineren unteren Grenze für die Partikelgröße wie folgt.
"Das Ultrafein-Partikel-Projekt (1981 bis 1986) gemäß dem kreativen Wissenschafts- und Technologieförderungsprogramm definiert einen ultrafeinen Partikel als einen Partikel mit einem Durchmesser zwischen etwa 1 und 100 nm. Das bedeutet, daß ein ultrafeiner Partikel ein Agglomerat von etwa 100 bis 10⁸ Atomen ist. Aus dem Blickwinkel eines Atoms ist ein ultrafeiner Partikel ein riesiger oder superriesiger Partikel." (Ultrafine Particle – kreative Wissenschaft und Technologie: Herausgeber Chikara Hayashi, Ryoji Ueda, Akira Tazaki; Mita Publikation, 1988, Seite 2 Zeilen 1 bis 4). "Ein Partikel, der kleiner als ein ultrafeiner Partikel ist, oder ein Partikel, der einige bis einige hundert Atome umfaßt, wird normalerweise als ein Cluster bezeichnet." (a. a. O. Seite 2 Zeilen 12 bis 13)
Unter Berücksichtigung der obigen Definitionen betrifft der Ausdruck "feiner Partikel", wie er hier verwendet wird, ein Agglomerat einer großen Anzahl von Atomen und/oder Molekülen mit einem Durchmesser mit einer unteren Grenze zwischen 0,1 nm und 1 nm und einer oberen Grenze von mehreren μm (Mikrometern).
Der Elektronen-emittierende Bereich 5 ist Teil des elektrisch leitfähigen Dünnfilms 4 und umfaßt einen elektrisch hochohmigen Spalt, obwohl seine Funktionalität von der Dicke und dem Material des elektrisch leitfähigen Dünnfilms 4 und dem Erregungsausbildungsvorgang abhängig ist, was nachstehend beschrieben wird. Der Spalt des Elektronen-emittierenden Bereichs 5 kann in seinem Inneren elektrisch leitfähige feine Partikel mit einem Durchmesser zwischen einigen Zehnteln von nm (Nanometern) und mehreren Zehn nm (Nanometern) enthalten. Derartige elektrisch leitfähige feine Partikel können einige oder alle der Materialien enthalten, die zur Herstellung des Dünnfilms 4 verwendet werden. Ein Graphitfilm 6 ist in dem Spalt des Elektronen-emittierenden Bereichs 5 angeordnet.
Eine Elektronen-emittierende Vorrichtung der Oberflächenleitungsbauart mit einem alternativen Profil, eine Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtung einer Stufenbauart, wird nachstehend beschrieben.
3 ist eine schematische Seitenschnittansicht einer Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung einer Stufenbauart, bei der die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
In 3 sind jene Komponenten, die gleich oder ähnlich den in 1A und 1B gezeigten sind, mit jeweils den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bezugszeichen 7 bezeichnet einen eine Stufe ausbildenden Abschnitt bzw. Stufenausbildungsabschnitt. Die Vorrichtung umfaßt ein Substrat 1, ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 und einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 mit einem Elektronen-emittierenden Bereich 5 mit einem Spalt, die aus Materialien hergestellt werden, die die gleichen sind wie bei der vorstehend beschriebenen Oberflächenleitungs-Elekronenemittierenden Vorrichtung einer Flachbauart, sowie einen Stufenausbildungsabschnitt 7, der aus einem isolierenden Material wie beispielsweise SiO₂ besteht, welches durch vakuumabscheidung, Drucken oder Sputtern erzeugt wurde und eine Filmdicke hat, die dem Abstand L entspricht, der die Vorrichtungselektroden einer vorstehend beschriebenen Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung einer Flachbauart trennt, oder zwischen mehreren Hundert nm (Nanometern) und mehreren zehn μm (Mikrometern) liegt. Vorzugsweise liegt die Filmdicke des Stufenausbildungsabschnitts 7 zwischen einigen zehn nm (Nanometern) und mehreren μm (Mikrometern), obwohl sie als Funktion des dabei verwendeten Verfahrens zum Erzeugen des Stufenausbildungsabschnitts, der an die Vorrichtungselektroden anzulegenden Spannung sowie der zur Elektronenemission verfügbaren Feldstärke ausgewählt wird.
Da der den Elektronen-emittierenden Bereich enthaltende elektrisch leitfähige Dünnfilm 4 nach den Vorrichtungselektroden 2 und 3 und dem Stufenausbildungsabschnitt 7 ausgebildet wird, kann er vorzugsweise auf die Vorrichtungselektroden 2 und 3 gelegt werden bzw. auf diesen ausgebildet werden. Obwohl der Elektronen-emittierende Bereich 5 gemäß der Darstellung in 3 in dem Stufenausbildungsabschnitt 7 ausgebildet ist, sind seine Position und sein Umriß von den Bedingungen abhängig, unter denen er erzeugt wird, wobei die Erregungsausbildungbedingungen und andere zugehörige Bedingungen nicht auf jene dort gezeigten beschränkt sind.
Obwohl verschiedene Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung denkbar sind, zeigen 4A bis 4D ein typisches derartiges Verfahren.
Nun wird ein Verfahren zu Herstellung einer erfindungsgemäßen Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung einer Flachbauart unter Bezugnahme auf 1A und 1B sowie 4A bis 4D beschrieben. In 4A bis 4D sind jene Komponente, die gleich oder ähnlich jenen in 1A und 1B sind, jeweils durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet.
1) Nach sorgfältiger Reinigung eines Substrats 1 mittels Detergens und reinem Wasser bzw. destilliertem Wasser, wird ein Material mittels Vakuumabscheidung, Sputtern oder einer anderen geeigneten Technik für ein Paar Vorrichtungselektronen 2 und 3 auf dem Substrat abgeschieden, welche dann mittels Fotolithographie erzeugt werden (4A).
2) Ein organischer Metall-Dünnfilm wird auf dem Substrat 1 ausgebildet, das das Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 trägt, indem eine organische Metallösung angewendet bzw. aufgebracht wird und die aufgebrachte Lösung für eine gegebene Zeitperiode dort belassen wird. Die organische Metallösung kann als Hauptbestandteil irgendeines der vorstehend aufgelisteten Metalle für den elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 enthalten. Danach wird der organische Metall-Dünnfilm erwärmt, gebacken und anschließend einem Strukturierungsvorgang unterzogen, wobei eine geeignete Technik wie beispielsweise Abheben oder Ätzen eingesetzt wird, um einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 zu erzeugen ( 4B). Während bei der vorstehenden Beschreibung eine organische Metallösung zur Erzeugung eines Dünnfilms verwendet wird, kann ein elektrisch leitfähiger Dünnfilm 4 wahlweise mittels Vakuumabscheidung, Sputtern, chemischer Abscheidung aus der Gasphase, Dispersionsaufbringung, Eintauchen, Aufschleudern oder einer anderen Technik ausgebildet werden.
3) Danach werden die Vorrichtungselektroden 2 und 3 einem als "Ausbildung" bezeichneten Vorgang bzw. Prozeß unterzogen. Hier wird als eine Möglichkeit zur Ausbildung ein Erregungsausbildungsvorgang beschrieben. Genauer werden die Vorrichtungselektroden 2 und 3 mittels einer (nicht gezeigten) Spannungsquelle elektrisch erregt, bis ein Elektronen-emittierender Bereich 5 mit einem Spalt in einem bestimmten Gebiet des elektrisch leitfähigen Dünnfilms 4 erzeugt ist, um so eine veränderte Struktur aufzuweisen, welche von der des elektrisch leitfähigen Dünnfilms 4 unterschiedlich ist (4C). 5A und 5B zeigen zwei unterschiedliche Impulsspannungen, die zur Erregungsausbildung verwendet werden können.
Die zur Erregungsausbildung zu verwendende Spannung hat vorzugsweise einen Impulssignalverlauf. Eine Impulsspannung mit einer konstanten Höhe oder einer konstanten Spitzenwertspannung bzw. konstanten Peakspannung kann kontinuierlich, wie in 5A angelegt werden, oder alternativ kann eine Impulsspannung mit einer ansteigenden Höhe oder einer ansteigenden Peakspannung gemäß der Darstellung in 5B angelegt werden.
Gemäß 5A hat die Impulsspannung eine Impulsbreite T1 und ein Impulsintervall T2, welche typischerweise zwischen 1 μs und 10 ms beziehungsweise zwischen 10 μs und 100 ms liegen. Die Höhe des Dreieckswellensignals (die Peakspannung für den Erregungsausbildungsvorgang) kann abhängig von dem Profil der Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung geeignet ausgewählt werden. Die Spannung wird typischerweise für mehrere 10 Minuten angelegt. Es ist jedoch zu beachten, daß der Impulssignalverlauf nicht auf Dreieckspannungen beschränkt ist, sondern daß ein Rechteckwellenverlauf oder ein anderer Signalverlauf alternativ verwendet werden können.
5B zeigt eine Impulsspannung, deren Impulshöhe im Verlauf der Zeit ansteigt. In 6B hat die Impulsspannung eine Breite T1 und ein Impulsintervall T2, wie im wesentlichen jenen von 6A ähnlich sind. Die Höhe des Dreieckwellensignals (die Peakspannung für den Erregungsausbildungsvorgang) wird mit einer Rate von beispielsweise 0,1 Volt pro Schritt erhöht.
Der Erregungsausbildungsvorgang wird beendet, indem der durch die Vorrichtungselektroden fließende Strom gemessen wird, wenn eine Spannung, die ausreichend niedrig ist und den elektrisch leitfähigen Dünnfilm 2 nicht örtlich zerstören oder deformieren kann, während eines Intervalls T2 der Impulsspannung an die Vorrichtung angelegt wird. Typischerweise wird der Erregungsausbildungsvorgang beendet, wenn ein Widerstand größer als 1 MΩ für den durch den elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 fließenden Vorrichtungsstrom beobachtet wird, während eine Spannung von annähernd 0,1 Volt an die Vorrichtungselektroden angelegt ist.
4) Nach dem Erregungsausbildungsvorgang wird die Vorrichtung einem Aktivierungsprozeß unterzogen.
Bei einem Aktivierungsprozeß kann eine Impulsspannung wiederholt an die Vorrichtung in einer Vakuumatmosphäre bzw. Vakuumumgebung angelegt werden. Bei diesem Prozeß wird Kohlenstoff oder eine Kohlenstoffverbindung, die in den organischen Substanzen enthalten ist, die in einer Vakuumatmosphäre in einer äußerst geringen Konzentration vorkommen, auf der Vorrichtung abgeschieden, um zu einer beträchtlichen Veränderung des Vorrichtungsstroms If und des Emissionsstroms Ie der Vorrichtung zu führen. Der Aktivierungsprozeß wird normalerweise unter Beobachtung des Vorrichtungsstroms If sowie des Emissionsstroms Ie durchgeführt, und beendet, wenn der Emissionsstrom Ie sich einem Sättigungspegel annähert.
Die Atmosphäre kann erzeugt werden, indem das organische Gas verwendet wird, das in einer Vakuumkammer verbleibt, nachdem die Kammer mittels einer Öldiffusionspumpe und einer Rotationspumpe evakuiert wurde, oder indem eine Vakuumkammer mittels einer Ionenpumpe ausreichend evakuiert wird und danach das Gas einer organischen Substanz in das Vakuum eingebracht wird. Der Gasdruck der organischen Substanz wird als eine Funktion des Profils der zu behandelnden Elektronen-emittierenden Vorrichtung, des Profils der Vakuumkammer, der Art der organischen Substanz sowie anderer Faktoren bestimmt. Organische Substanzen, die geeignet zum Zweck des Aktivierungsvorgangs verwendet werden können, umfassen aliphatische Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Alkane, Alkene und Alkyne, aromatische Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Aldehyde, Ketone, Amine, organische Säuren wie beispielsweise Phenol, Kohlensäuren und Sulfosäuren. Spezielle Beispiele schließen gesättigte Kohlenwasserstoffe ein, die durch die allgemeine Formel C_nH_2n+2 ausgedrückt sind, wie zum Beispiel Metan, Ethan und Propan, ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die durch eine allgemeine Formel C_nH_2n ausgedrückt sind, wie beispielsweise Ethylen und Propylen, Benzol, Toluol, Methanol, Ethanol, Formaldehyd, Acetaldehyd, Aceton, Methylethylketon, Methylamin, Ethylamin, Phenol, Ameisensäure, Essigsäure und Propionsäure.
Ein Rechteckimpulssignal gemäß der Darstellung in 6B kann als die an die Vorrichtung bei einem Aktivierungsprozeß angelegte Impulsspannung verwendet werden.
Es kann eine Anzahl von Verfahren geben, die zur Erzeugung eines Graphitfilms aus dem Kohlenstofffilm in dem Spalt des Elektronen-emittierenden Bereichs verwendet werden können.
Gemäß einem ersten Verfahren wird die Vorrichtung einem Ätzvorgang zur Beseitung unnötiger Abschnitte des Kohlenstofffilms im Anschluß an den Aktivierungsprozeß unterzogen.
Der Ätzvorgang wird ausgeführt, indem eine Spannung an die Vorrichtung in einer ein Gas enthaltenden Atmosphäre angelegt wird, welches eine Ätzwirkung auf Kohlenstoff hat.
Ein Gas mit einem Ätzeffekt bzw. einer Ätzwirkung wird typischerweise durch eine allgemeine Formel XY ausgedrückt (wobei X und Y H oder ein Halogenatom darstellen). Der durch Abscheidung bei dem Aktivierungsprozeß erhaltene Kohlenstofffilm wird durch das Ätzgas mit einer Rate geätzt, die eine Funktion der Kristallinität des Kohlenstoffs ist. Außerhalb des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs wird der Kohlenstofffilm am meisten weggeätzt, da er hauptsächlich aus feinen Graphitkristallen, amorphem Kohlenstoff, einer oder mehr als einer Kohlenstoffverbindung besteht, die Wasserstoff und andere Atome enthalten, und deshalb verbleibt der Kohlenstofffilm lediglich innerhalb des Spalts. Selbst innerhalb des Spalts werden jene Abschnitte, die nur schwach kristallin sind, weggeätzt, so daß lediglich ein Graphitfilm 6 mit hoher Kristallinität zurückblei ben wird (4D). Man kann sicher davon ausgehen, daß das Ätzgas Wasserstoffradikale und andere Radikale erzeugt, wenn von der Elektronen-emittierenden Vorrichtung Elektronen mit Molekülen des Gases kollidieren.
Gemäß einem zweiten Verfahren wird ein Ätzvorgang parallel zu einem Aktivierungsprozeß ausgeführt. Dies kann dadurch erfolgen, indem gleichzeitig oder wechselweise ein Ätzgas wie beispielsweise Wasserstoffgas und eine organische Substanz in eine Vakuumkammer eingebracht werden, die für einen Aktivierungsprozeß verwendet wird. Der Ätzvorgang kann bereits zu Beginn des Aktivierungsprozesses oder irgendwo in der Mitte beziehungsweise im Verlauf des Aktivierungsprozesses gestartet werden. Das Substrat kann während des Ätzprozesses erwärmt werden.
Wenn ein gering kristalliner Kohlenstofffilm gemäß diesem zweiten Verfahren ausgebildet wird, kann er unmittelbar entfernt werden, so daß es folglich nur einem hochkristallinen Graphitfilm möglich ist, zu wachsen, obwohl unähnlich dem ersten Verfahren Graphit ebenfalls außerhalb des Spalts erzeugt werden kann (vergleiche 24A).
Gemäß einem dritten Verfahren wird eine bipolare Impulsspannung gemäß der Darstellung in 6A als eine Aktivierungsimpulsspannung verwendet. Bei diesem Verfahren wird ein Kohlenstofffilm auf beiden Seiten des Spalts des Elektronenemittierenden Bereichs abgeschieden (vergleiche 24B). Dann werden die Kohlenstofffilme in dem Spalt hochkristalline Graphitfilme bilden, ohne irgendeinen Ätzvorgang. Dieses Phänomen eines nicht nur von der Anodenseite sondern von den zwei gegenüberliegenden Seiten des Spalts wachsenden Kohlenstofffilms kann dem starken elektrischen Feld zuzuordnen sein, das durch die Spannung erzeugt wird, da ein derartiges Phänomen bei keinem der beiden zuvor erwähnten Verfahren beobachtbar ist. Es ist zu beachten, daß das Substrat während des Ätzvorgangs erwärmt werden kann und die Höhe und die Breite der positiven Seite nicht gleich derjenigen der negativen Seite der Impulsspannung sein muß, und daß geeignete Werte für diese abhängig von der Anwendung der Vorrichtung ausgewählt werden können.
Das dritte Verfahren kann zusammen mit dem ersten oder zweiten Verfahren verwendet werden.
5) Eine Elekronen-emittierende Vorrichtung, die einem Erregungsausbildungsvorgang und einem Aktivierungsprozeß unterzogen wurde, wird dann vorzugsweise einem Stabilisierungsprozeß unterzogen. Dabei handelt es sich um einen Prozeß zum Entfernen jeglicher organischer Substanzen, die in der Vakuumkammer verbleiben. Die das Vakuum herstellenden und gasabführenden Geräte, die für diesen Prozeß zu verwenden sind, bedingen vorzugsweise nicht die Verwendung von Öl, so daß sie kein verdampftes Öl erzeugen können, welches die Funktionsfähigkeit der behandelten Vorrichtung während des Prozesses nachteilig beeinträchtigt. Somit kann die Verwendung einer Sorptionspumpe und einer Ionenpumpe eine Vorzugswahl darstellen.
Wenn eine Öldiffusionspumpe und eine Rotationspumpe für den Aktivierungsprozeß verwendet werden und das durch das Öl erzeugte organische Gas auch verwendet wird, muß der Partialdruck des organischen Gases unbedingt minimiert werden. Der Partialdruck des organischen Gases in der Vakuumkammer ist vorzugsweise niedriger als 1 × 10^–6 Pa und weiter vorzugsweise niedriger als 1 × 10^–8 Pa, wenn kein Kohlenstoff oder keine Kohlenstoffverbindung zusätzlich abgeschieden wird. Die Vakuumkammer wird vorzugsweise nach dem Beheizen bzw. Erwärmen der gesamten Kammer evakuiert, so daß durch die inneren Wandungen der Vakuumkammer sowie die in der Kammer befindliche(n) Elektronen-emittierende(n) Vorrichtung(en) adsorbierten organischen Moleküle auch leicht entfernt werden können. Während die Vakuumkammer in den meisten Fällen vorzugsweise mehr als fünf Stunden auf 80 bis 250°C erwärmt wird, können alternativ andere Heizbedingungen abhängig von der Größe und von dem Profil der Vakuumkammer und der Konfiguration der Elektronen-emittierende(n) Vorrichtung(en) in der Kammer als auch anderen Überlegungen ausgewählt werden. Der Druck in der Vakuumkammer muß so gering wie möglich gemacht werden, und er ist vorzugsweise niedriger als 1 bis 4 × 10^–5, und weiter vorzugsweise niedriger als 1 × 10^–6 Pa.
Nach dem Stabilisierungsprozeß ist die Atmosphäre zur Ansteuerung der Elektronen-emittierenden Vorrichtung oder der Elektronenquelle vorzugsweise gleich der, wenn der Stabilisierungsprozeß abgeschlossen ist, obwohl ein geringerer Druck alternativ verwendet werden kann, ohne die Stabilität des Betriebs der Elektronen-emittierenden Vorrichtung oder der Elektronenquelle zu beeinträchtigen, wenn die organischen Substanzen in der Kammer ausreichend entfernt sind.
Durch Verwendung einer derartigen Atmosphäre kann die Ausbildung irgendeiner zusätzlichen Abscheidung aus Kohlenstoff oder einer Kohlenstofffverbindung wirksam unterdrückt werden, um folglich den Vorrichtungsstrom If und den Emissionsstrom Ie zu stabilisieren.
Die Funktion einer anhand des obigen Prozesses bzw. Verfahrens hergestellten Elektronen-emittierenden Vorrichtung, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist, ist nachstehend mit Bezug auf 7 und 8 beschrieben.
7 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Anordnung mit einer Vakuumkammer, die für die obigen Prozesse verwendet werden kann. Sie kann gleichfalls als ein Meßsystem bzw. Eichsystem zur Bestimmung der Funktion bzw. Leistungsmerkmale einer Elektronen-emittierenden Vorrichtung der betreffenden Bauart verwendet werden. Mit Bezug auf 7 umfaßt das Meßsystem eine Vakuumkammer 15 und eine Vakuumpumpe 16. Eine Elektronen-emittierende Vorrich tung befindet sich in der Vakuumkammer 15. Die Vorrichtung umfaßt ein Substrat 1, ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3, einen Dünnfilm 4 und einen Elektronen-emittierenden Bereich 5 mit einem Spalt. Darüber hinaus umfaßt das Meßsystem eine Spannungsquelle 11 zum Anlegen einer Vorrichtungsspannung Vf an die Vorrichtung, ein Amperemeter 10 zur Messung des durch den Dünnfilm 4 zwischen den Vorrichtungselektroden 2 und 3 fließenden Vorrichtungsstroms If, eine Anode 14 zum Einfangen des Emissionsstroms Ie, der durch Elektronen erzeugt wird, die aus dem Elektronenemittierenden Bereich der Vorrichtung emittiert werden, eine Hochspannungsquelle 13 zum Anlegen einer Spannung an die Anode 14 des Meßsystems sowie ein weiteres Amperemeter 12 zur Messung des Emissionsstroms Ie, der durch die von dem Elektronen-emittierenden Bereich 5 der Vorrichtung emittierten Elektronen erzeugt wird. Zur Bestimmung der Leistungsmerkmale der Elektronen-emittierenden Vorrichtung kann eine Spannung zwischen 1 und 10 kV an die Anode angelegt werden, welche von der Elektronen-emittierenden Vorrichtung um einen Abstand H, der zwischen 2 und 8 mm liegt, beabstandet ist.
Instrumente bzw. Geräte einschließlich eines Vakuummeters sowie andere für das Meßsystem notwendiger Einzelgeräte sind in der Vakuumkammer 15 derart angeordnet, daß die Funktion der Elektronen-emittierenden Vorrichtung oder der Elektronenquelle in der Kammer gut testbar ist. Die Vakuumpumpe 16 ist mit einem herkömmlichen Hochvakuumsystem mit einer Turbopumpe und einer Rotationspumpe, oder einem ölfreien Hochvakuumsystem mit einer ölfreien Pumpe wie beispielsweise einer Turbopumpe der Magnetschwebetechnik und einer Trockenpumpe und einem Ultrahochvakuumsystem mit eine Ionenpumpe versehen. Die eine Elektronenquelle darin beherbergende Vakuumkammer kann mittels einer (nicht gezeigten) Heizvorrichtung auf 250°C erwärmt werden. Folglich können mit dieser Anordnung all die Vorgänge von dem Erregungsausbildungsvorgang an ausgeführt werden.
8 zeigt einen Funktionsverlauf, der schematisch die Beziehung zwischen der Vorrichtungsspannung Vf und dem Emissionsstrom Ie sowie dem Vorrichtungsstrom If zeigt, die typischerweise mittels des Meßsystems gemäß 7 beobachtet werden. Es ist zu beachten, daß unterschiedliche Einheiten willkürlich für Ie und If in 8 gewählt sind, wobei dies angesichts der Tatsache erfolgt, daß Ie eine weitaus geringere Größenordnung hat als If. Es ist zu beachten, daß sowohl die vertikale als auch die transversale Achse des Funktionsverlaufs einen linearen Maßstab darstellen.
Wie in 8 ersichtlich hat eine erfindungsgemäße Elektronenemittierende Vorrichtung 3 beachtliche Merkmale hinsichtlich des Emissionsstroms Ie, was nachstehend beschrieben ist.

(i) Zunächst zeigt eine erfindungsgemäße Elektronen-emittierende Vorrichtung einen plötzlichen und scharfen Anstieg des Emissionsstroms Ie, wenn die daran angelegte Spannung einen gewissen Pegel (der nachstehend als Schwellenspannung bezeichnet und mit Vth in 8 bezeichnet ist) überschreitet, wohingegen der Emissionsstrom Ie praktisch nicht erfaßbar ist, wenn die angelegte Spannung sich als geringer als der Schwellenwert Vth erweist. Anders ausgedrückt handelt es sich bei einer erfindungsgemäßen Elektronenemittierenden Vorrichtung um eine nicht-lineare Vorrichtung mit einer deutlichen Schwellenspannung Vth für den Emissionsstrom Ie.
(ii) Zweitens ist der Emissionsstrom Ie stark abhängig von der Vorrichtungsspannung Vf, wobei ersterer wirksam mittels letzterer gesteuert werden kann.
(iii) Drittens ist die seitens der Anode 14 eingefangene emittierte elektrische Ladung eine Funktion der Zeitdauer des Anlegens der Vorrichtungsspannung Vf. Anders ausgedrückt kann die Menge der seitens der Anode 14 eingefangenen elektrischen Ladung wirksam mittels der Zeit gesteuert werden, während derer die Vorrichtungsspannung Vf angelegt ist.

Aufgrund der obigen beachtlichen Merkmale ist es verständlich, daß das Elektronen-emittierende Verhalten einer Elektronenquelle mit einer Vielzahl von erfindungsgemäß hergestellten Elektronen-emittierenden Vorrichtungen und folglich jenes eines eine derartige Elektronenquelle enthaltenden Bilderzeugungsgeräts im Ansprechen auf das Eingangssignal leicht gesteuert werden kann. Daher können eine Elektronenquelle und ein Bilderzeugungsgerät eine Vielzahl von Anwendungen finden.
Andererseits steigt der Vorrichtungsstrom If entweder monoton in Bezug zur Vorrichtungsspannung Vf an (wie durch eine durchgezogene Linie in 8 dargestellt, eine Eigenschaft, auf die nachstehend als "MI-Kennlinie" Bezug genommen wird) oder ändert sich, um einen (nicht gezeigten) Verlauf anzunehmen, der für eine Kennlinie eines spannungsgesteuerten negativen Widerstands spezifisch ist (eine Eigenschaft, auf die nachstehend als "VCNR Kennlinie" Bezug genommen wird). Diese Eigenschaften bzw. Kennlinien des Vorrichtungsstroms sind von einer Anzahl von Faktoren abhängig, die das Herstellungsverfahren, die Bedingungen unter denen gemessen wird und die Umgebung zum Betrieb der Vorrichtung einschließen.
Nun werden einige Verwendungsbeispiele für Elektronen-emittierende Vorrichtungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, beschrieben. Eine Elektronenquelle und folglich ein Bilderzeugungsgerät kann durch Anordnen einer Vielzahl von Elektronen-emittierenden Vorrichtungen auf einem Substrat realisiert werden.
Elektronen-emittierende Vorrichtungen können auf eine Vielzahl unterschiedlicher Arten auf einem Substrat angeordnet sein.
Beispielsweise kann eine Anzahl von Elekronen-emittierenden Vorrichtungen in parallelen Reihen entlang einer Richtung (nachstehend als Reihen-Richtung bezeichnet) angeordnet sein, wobei jede Vorrichtung mittels Verdrahtungen bzw. Anschlüssen an ihren gegenüberliegenden Enden angeschlossen ist, und angesteuert wird, um mittels Steuerelektroden (nachstehend als Gitter bezeichnet) betrieben zu werden, welche in einem Raum über den Elektronen-emittierenden Vorrichtungen in einer senkrecht zu der Reihen-Richtung (nachstehend als Spalten-Richtung bezeichnet) angeordnet sind, um eine leiterartige Anordnung zu realisieren. Alternativ kann eine Vielzahl Elektronen-emittierender Vorrichtungen in Reihen entlang einer X-Richtung und Spalten entlang einer Y-Richtung angeordnet sein, um eine Matrix zu bilden, wobei die X- und Y-Richtungen senkrecht zueinander sind, und die Elektronen-emittierenden Vorrichtungen in einer gleichen Reihe sind mittels einer der Elektroden jeder Vorrichtung an eine gemeinsame in X-Richtung verlaufende Verdrahtung angeschlossen, während die Elektronen-emittierenden Vorrichtungen in einer gleichen Reihe an eine gemeinsame in Y-Richtung verlaufende Verdrahtung mittels der anderen Elektrode jeder Vorrichtung angeschlossen sind. Die letztere Anordnung wird als einfache Matrixanordnung bezeichnet. Nunmehr wird die einfache Matrixanordnung ausführlich beschrieben.
Angesichts der vorstehend beschriebenen drei grundlegenden charakteristischen Merkmale (i) bis (iii) einer Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung, kann sie zur Elektronenemission durch Steuerung der Signalhöhe und der Signalbreite der an gegenüberliegende Elektroden der Vorrichtung oberhalb des Schwellenspannungspegels angelegten Impulsspannung gesteuert werden. Andererseits emittiert die Vorrichtung praktisch keine Elektronen unterhalb des Schwellenspannungspegels. Daher können unabhängig von der Anzahl der in einem Gerät angeordneten Elektronen-emittierenden Vorrichtungen gewünschte Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtungen ausgewählt und hinsichtlich der Elektronenemission im Ansprechen auf ein Eingangssignal durch Anlegen einer Impulsspannung an jede der ausgewählten Vorrichtungen gesteuert werden.
9 ist eine schematische Draufsicht auf das Substrat einer Elektronenquelle, die durch Anordnen einer Vielzahl von Elektronen-emittierenden Vorrichtung realisiert ist, um die obigen charakteristischen Merkmale auszunutzen. Gemäß 9 umfaßt die Elektronenquelle ein Substrat 21, in X-Richtung verlaufende Verdrahtungen 22, in Y-Richtung verlaufende Verdrahtungen 23, Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtungen 24 und Verbindungsleitungen 25. Die Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen können entweder von der vorstehend beschriebenen Flachbauart oder der vorstehend beschriebenen Stufenbauart sein.
Es gibt eine Gesamtzahl von m in X-Richtung verlaufender Verdrahtungen bzw. Leitungen 22, die mit Dx1, Dx2, ..., Dxm bezeichnet sind und aus einem elektrisch leitfähigen Metall hergestellt sind, das durch Vakuumabscheidung, Drucken oder Sputtern erzeugt wurde. Diese Leitungen sind so hinsichtlich des Materials, der Dicke und Breite entworfen, daß wenn notwendig eine im wesentlichen gleiche Spannung an die Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen angelegt werden kann. Eine Gesamtzahl von n in Y-Richtung verlaufender Verdrahtungen bzw. Leitungen ist vorgesehen und durch Dy1, Dy2, ..., Dyn bezeichnet, welche ähnlich in den X-Richtung verlaufenden Leitungen hinsichtlich des Materials, der Dicke und Breite sind. Eine (nicht gezeigte) Zwischenschicht-Isolationsschicht ist zwischen den m in X-Richtung verlaufenden Leitungen und den n in Y-Richtung verlaufenden Leitungen angeordnet, um diese elektrisch voneinander zu isolieren. (Beide, m und n, sind ganze Zahlen.)
Die (nicht dargestellte) Zwischenschicht-Isolationsschicht besteht typischerweise aus SiO₂ und ist auf der gesamten Oberfläche oder einem Teil der Oberfläche des isolierenden Substrats 21 in einer gewünschten Kontur mittels Vakuumabscheidung, Drucken oder Sputtern ausgebildet. Die Dicke, das Material und Herstellungsverfahren der Zwischenschicht-Isolationsschicht sind derart ausgewählt, damit sie der an den Kreuzungspunkten jeder der in X-Richtung verlaufenden Leitungen 22 und jeder der in Y-Richtung verlaufenden Leitungen 23 beobachtbaren Potentialdifferenz widerstehen kann. Jede der in X-Richtung verlaufenden Leitungen 22 und der in Y-Richtung verlaufenden Leitungen 23 ist nach außen geführt, um einen externen Anschluß zu bilden.
Die gegenüberliegend angeordneten (nicht gezeigten) Elektroden jeder der Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen 24 sind an eine zugehörige der m in X-Richtung verlaufenden Leitungen 22 und eine zugehörige der n in Y-Richtung verlaufenden Leitungen 23 mittels jeweiliger Anschlußleitungen 25 angeschlossen, die aus einem elektrisch leitfähigen Metall bestehen.
Das elektrisch leitfähige metallische Material der Vorrichtungselektroden und das der sich von den m in X-Richtung verlaufenden Leitungen 22 und den n in Y-Richtung verlaufenden Leitungen 23 erstreckenden Verbindungsleitungen 25 kann das gleiche sein oder ein gemeinsames Element als einen Bestandteil enthalten. Alternativ können sie voneinander unterschiedlich sein. Diese Materialien können typischerweise geeignet aus den Kandidatenmaterialien ausgewählt werden, die vorstehend für die Vorrichtungselektroden aufgelistet wurden. Wenn die Vorrichtungselektroden und die Verbindungsleitungen aus einem gleichen Material bestehen, können sie gemeinsam als Vorrichtungselektroden bezeichnet werden, ohne daß die Verbindungsleitungen davon unterschieden werden.
Die in X-Richtung verlaufenden Leitungen 22 sind an eine (nicht dargestellte) Abtastsignalanlegeeinrichtung elektrisch angeschlossen, die zum Anlegen eines Abtastsignals an eine ausgewählte Reihe von Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtung 24 dient. Andererseits sind die in Y-Richtung verlaufenden Leitungen 23 an eine (nicht gezeigte) Modulationssignalerzeugungseinrichtung elektrisch angeschlossen, die zum Anlegen eines Modulationssignals an eine ausgewählte Spalte von Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen 24 dient und die ausgewählte Spalte entsprechend einem Eingangssignal moduliert. Es ist zu beachten, daß das an jede Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtung anzulegende Ansteuersignal als die Spannungsdifferenz des Abtastsignals und des Modulationssignals ausgedrückt ist, die an die Vorrichtung angelegt sind.
Mit der obigen Anordnung kann jede der Vorrichtungen durch eine einfache Matrixverdrahtungsanordnung ausgewählt und angesteuert werden, um unabhängig zu funktionieren.
Nun wird ein Bilderzeugungsgerät mit einer Elektronenquelle mit einer einfachen Matrixanordnung wie vorstehend beschrieben mit Bezug auf 10, 11A, 11B und 12 beschrieben. 10 ist eine teilweise aufgebrochene schematische Perspektivansicht des Bilderzeugungsgeräts, und 11A und 11B sind schematische Darstellungen, die zwei mögliche Konfigurationen eines Floureszenzfilms darstellen, der für das Bilderzeugungsgerät gemäß 10 verwendet werden kann, wohingegen 12 ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung für das Bilderzeugungsgerät gemäß 10 wiedergibt, das mit NTSC-Fernsehsignalen betrieben wird.
Zunächst mit Bezugnahme auf die die Basiskonfiguration des Anzeigefeldes des Bilderzeugungsgeräts darstellende 10 weist dieses ein Elektronenquellensubstrat 21 des vorstehend beschriebenen Typs auf, das darauf eine Vielzahl Elektronen-emittierender Vorrichtungen trägt, eine das Elektronenquellensubstrat 21 festhaltende Rückplatte 31, eine durch Auflegen eines Floureszenzfilms 34 und einer metallischen Rückseite 35 auf der inneren Oberfläche eines Glassubstrats 33 hergestellte Frontplatte 36 und einen Stützrahmen 32, an den die Rückseitenplatte 31 und die Frontplatte 36 mittels Fritteglas bzw. Schmelzglas befestigt sind. Bezugszeichen 37 bezeichnet eine Umhüllung, die bei 400 bis 500°C für mehr als 10 Minuten in der Umgebungsatmosphäre oder in Stickstoff gebacken wurde und hermetisch und Luftdicht versiegelt ist.
In 10 bezeichnet Bezugszeichen 24 eine Elektronen-emittierende Vorrichtung und Bezugszeichen 22 und 23 bezeichnen jeweils die in X-Richtung verlaufenden Leitungen und die in Y-Richtung verlaufenden Leitungen, die an die jeweiligen Vorrichtungselektroden jeder Elektronen-emittierenden Vorrichtung angeschlossen sind.
Während die Umhüllung 37 aus der Frontplatte 36, dem Stützrahmen 32 und der Rückplatte 31 bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet ist, kann die Rückplatte 31 weggelassen werden, wenn das Substrat 21 selbst stark genug ist, da die Rückplatte 31 hauptsächlich zur Verstärkung des Substrats 21 vorgesehen ist. Wenn dies der Fall ist, ist eine unabhängige Rückplatte 31 nicht erforderlich und das Substrat 21 kann direkt an dem Stützrahmen 32 befestigt werden, so daß die Umhüllung 37 aus einer Frontplatte 36, einem Stützrahmen 32 und einem Substrat 21 gebildet ist. Die Gesamtstärke der Umhüllung 37 kann erhöht werden, indem eine Anzahl von (nicht gezeigten) Abstandshalter genannten Stützgliedern zwischen der Frontplatte 36 und der Rückplatte 31 angeordnet wird.
11A und 11B illustrieren schematisch zwei mögliche Anordnungen eines Fluoreszenzfilms. Während der Fluoreszenzfilm 34 lediglich einen einzelnen Fluoreszenzkörper aufweist, wenn das Anzeigefeld zur Darstellung von Schwarz-Weißbildern verwendet wird, muß er zur Anzeige von Farbbildern schwarze leitfähige Teile 38 und Fluoreszenzkörper 39 aufweisen, von denen erstere als schwarze Streifen oder Teile einer Schwarz-Matrix, abhängig von der Anordnung der Fluoreszenzkörper, bezeichnet werden. Schwarzstreifen oder Teile einer Schwarzmatrix sind für ein Farbanzeigefeld so angeordnet, daß die Fluoreszenzkörper 39 dreier unterschiedlicher Primärfarben weniger unterscheidbar sind und der ungünstige Effekt der Verringerung des Kontrasts von durch externes Licht angezeigter Bilder durch Schwärzen der umgebenden Bereiche abgeschwächt wird. Während Graphit normalerweise als ein Hauptbestandteil der Schwarzstreifen verwendet wird, können alternativ andere leitfähige Materialien mit geringer Lichtdurchlässigkeit und Reflektivität verwendet werden.
Eine Abscheidungs- oder Drucktechnik ist geeignet, um unabhängig von einer Schwarz/Weiß- oder Farbanzeige zum Aufbringen eines Fluoreszenzmaterials auf das Glassubstrat verwendet zu werden. Eine herkömmliche Metallrückseite 35 ist an der inneren Oberfläche des Fluoreszenzfilms 34 angeordnet. Die Metallrückseite 35 ist vorgesehen, um die Luminanz des Anzeigefeldes zu steigern, indem Strahlen des von den Fluoreszenzkörpern emittierten und zur Innenseite der Umhüllung gerichteten Lichts zurück in Richtung der Frontplatte 36 geleitet wird, um sie als eine Elektrode zum Anlegen einer Beschleunigungsspannung für Elektronenstrahlen zu verwenden und um die Fluoreszenzkörper gegen Schäden zu schützen, die hervorgerufen werden können, wenn negative Ionen, die innerhalb der Umhüllung erzeugt wurden, mit diesen kollidieren. Sie wird hergestellt durch Glätten der inneren Oberfläche des Fluoreszenzfilms (in einem normaler weise als "Filmbeschichtung" bezeichneten Vorgang) und Ausbilden eines A1-Films darauf durch Vakuumabscheidung, nachdem der Fluoreszenzfilm ausgebildet wurde.
Eine (nicht dargestellte) transparente Elektrode kann an der Frontplatte 36 der äußeren Oberfläche des Fluoreszenzfilms 34 zugewandt ausgebildet sein, um die Leitfähigkeit des Fluoreszenzfilms 34 zu erhöhen.
Sorgfalt muß aufgewendet werden, um jeden Satz von Farbfluoreszenzkörpern und eine Elektronen-emittierende Vorrichtung genau auszurichten, wenn eine Farbanzeige betroffen ist, bevor die vorstehend aufgeführten Komponenten der Umhüllung mit einander verbunden werden.
Ein in 10 dargestelltes Bilderzeugungsgerät kann auf eine nachstehend beschriebene Art und Weise hergestellt werden.
Die Umhüllung 37 wird mittels einer geeigneten Vakuumpumpe wie beispielsweise einer Ionenpumpe oder einer Sorptionspumpe, die keine Verwendung von Öl bedingt, evakuiert, während sie wie im Fall des Stabilisierungsprozesses beheizt wird, bis die Atmosphäre im Inneren auf einen Vakuumgrad von 10^–5 Pa verringert wurde, die organische Substanzen in einem hinreichend geringen Ausmaß enthält, und dann wird sie hermetisch und luftdicht versiegelt. Ein Getter-Prozeß kann durchgeführt werden, um den erreichten Vakuumgrad im Inneren der Umhüllung 37 beizubehalten, nachdem sie versiegelt ist. Bei einem Getter-Prozeß wird ein an einer vorbestimmten Position in der Umhüllung 37 angeordneter Getter mittels einer Widerstandsheizung oder einer Hochfrequenzheizung erwärmt, um unmittelbar bevor oder nachdem die Umhüllung 37 versiegelt wird, einen Film durch Gasabscheidung auszubilden. Ein Getter enthält typischerweise Ba als einen Hauptbestandteil und kann einen Vakuumgrad zwischen 1 × 10^–4 und 1 × 10^–5 durch den Absorptionseffekt des durch Gas abscheidung abgeschiedenen Films aufrechterhalten. Die Prozesse zur Herstellung von Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen des Bilderzeugungsgeräts nach dem Ausbildungsvorgang können geeignet gestaltet sein, um die speziellen Anforderung der beabsichtigten Anwendung zu erfüllen.
Nun werden Ansteuerschaltungen zur Ansteuerung eines Anzeigefelds mit einer Elektronenquelle mit einer einfachen Matrixanordnung zur Anzeige von Fernsehbildern gemäß NTSC-Fernsehsignalen mit Bezug auf 12 beschrieben. In 13 bezeichnet Bezugszeichen 41 ein Anzeigefeld. Im übrigen umfaßt die Schaltung eine Abtastschaltung 42, eine Steuerschaltung 43, ein Schieberegister 44, einen Zeilenspeicher 45, eine Synchronisationssignaltrennschaltung 46 und eine Modulationssignalerzeugungseinrichtung 47. Vx und Va gemäß 12 bezeichnen Gleichspannungsquellen.
Das Anzeigefeld 41 ist mit externen Schaltungen über Anschlüsse Dox1 bis Doxm, Doy1 bis Doym und einen Hochspannungsanschluß Hv verbunden, wobei von diesen Anschlüssen Dox1 bis Doxm zum Empfang von Abtastsignalen zum aufeinanderfolgenden Ansteuern, einer nach der anderen, der Zeilen (von N Vorrichtungen) einer Elektronenquelle in dem Gerät mit einer Anzahl Elektronen-emittierender Vorrichtungen der Oberflächenleitungsbauart, die in Form einer Matrix mit M Zeilen und N Spalten angeordnet sind, dienen.
Andererseits dienen Anschlüsse Doy1 bis Doyn zum Empfangen eines Modulationssignals zur Steuerung des ausgegebenen Elektronenstrahls von jeder der Elektronen-emittierenden Vorrichtungen der Oberflächenleitungsbauart einer durch ein Abtastsignal ausgewählten Zeile. Der Hochspannungsanschluß Hv wird durch die Gleichspannungsquelle Va mit einer Gleichspannung mit einem Pegel von typischerweise etwa 10 kV versorgt, der ausreichend hoch ist, um die Fluoreszenzkörper der ausgewählten Elektronen-emittierenden Vorrich tungen der Oberflächenleitungsbauart mit Energie zu versorgen.
Die Abtastschaltung 42 arbeitet auf folgende Weise. Die Schaltung weist M Schalteinrichtungen (von denen lediglich Einrichtungen S1 und SM in 13 speziell dargestellt sind) auf, von denen jede entweder die Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle Vx oder 0 [V] (Massepotentialpegel) aufnimmt und mit einem der Anschlüsse Dox1 bis Doxm des Anzeigefeldes 41 verbunden wird. Jede der Schalteinrichtungen S1 bis SM arbeitet entsprechend einem Steuersignal Tscan, welches von der Steuerschaltung 43 zugeführt wird und durch Kombination von Transistoren wie beispielsweise FETs erzeugt werden kann.
Die Gleichspannungsquelle Vx in dieser Schaltung ist zur Ausgabe einer konstanten Spannung entworfen, so daß jede Ansteuerspannung, die an Vorrichtungen angelegt ist, die nicht abgetastet werden, aufgrund der Funktion der Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen (oder der Schwellenspannung zur Elektronenemission) auf weniger als die Schwellenspannung verringert ist.
Die Steuerschaltung 43 koordiniert die Funktionen zugehöriger Komponenten, so daß Bilder entsprechend extern zugeführter Videosignale geeignet angezeigt werden können. Sie erzeugt Steuersignale Tscan, Tsft und Tmry im Ansprechen auf ein Synchronisationssignal Tsync, welches von der nachstehend beschriebenen Synchronisationssignaltrennschaltung 46 zugeführt wird.
Die Synchronisationssignaltrennschaltung 46 trennt die Synchronisationssignalkomponente und die Luminanzsignalkomponente von einem extern zugeführten NTSC-Fernsehsignal und kann leicht realisiert werden, indem eine allgemein bekannte Frequenztrenn-(Filter)-Schaltung verwendet wird. Obwohl ein aus einem Fernsehsignal anhand der Synchronisationssignaltrennschaltung 46 extrahiertes Synchronisationssignal wie allgemein bekannt ist aus einem vertikalen Synchronisationssignal und einem horizontalen Synchronisationssignal besteht, ist es hier aus Gründen der Vereinfachung ohne Berücksichtigung seiner Signalkomponenten lediglich als Tsync Signal bezeichnet. Andererseits ist ein aus einem Fernsehsignal entzogenes Luminanzsignal, welches dem Schieberegister 44 zugeführt wird, als Datensignal bezeichnet.
Das Schieberegister 44 führt für jede Zeile eine Seriell/Parallelumwandlung für Datensignale durch, die seriell mit einer Zeitfolgenbasis zugeführt werden, wobei die Umwandlung entsprechend einem von der Steuerschaltung 43 zugeführten Steuersignal Tsft erfolgt. (Anders ausgedrückt dient ein Steuersignal Tsft als ein Schiebetakt für das Schieberegister 44.) Ein Satz Daten für eine Zeile, die einer Seriell/Parallelumwandlung unterzogen wurden (und einem Satz Ansteuerdaten für N Elektronen-emittierende Vorrichtungen entsprechen) werden als N parallele Signale Id1 bis Idn aus dem Schieberegister 44 ausgegeben.
Der Zeilenspeicher 45 ist ein Speicher zur Speicherung eines Satzes von Daten für eine Zeile, bei denen es sich um die Signale Id1 bis Idn handelt, für eine erforderliche Zeitperiode entsprechend einem von der Steuerschaltung 43 stammenden Steuersignal Tmry. Die gespeicherten Daten werden als I'D1 bis I'Dn ausgegeben und der Modulationssignalerzeugungseinrichtung 47 zugeführt.
Die Modulationssignalerzeugungseinrichtung 47 ist in der Tat eine Signalquelle, die die Funktion jeder der Elektronen emittierenden Vorrichtungen der Oberflächenbauart ansteuert und moduliert, wobei Ausgangssignale dieser Einrichtung den Elektronen-emittierenden Vorrichtungen der Oberflächenleitungsbauart in dem Anzeigefeld 41 über Anschlüsse Doy1 bis Doyn zugeführt werden.
Wie vorstehend beschrieben ist eine Elektronen-emittierende Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, durch die folgenden Merkmale hinsichtlich des Emissionsstroms Ie beschrieben. Zunächst existiert eine deutliche Schwellenspannung Vth und die Vorrichtung emittiert Elektronen lediglich bei einer daran angelegten, die Schwellenspannung Vth überschreitenden Spannung. Zweitens ändert sich der Pegel des Emissionsstroms Ie als Funktion der Änderung der angelegten Spannung oberhalb des Schwellenpegels Vth, obwohl der Wert von Vth und die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Emissionsstrom abhängig von den Materialien, der Konfiguration und dem Herstellungsverfahren der Elektronen-emittierenden Vorrichtung variieren kann. Genauer gesagt wird praktisch kein Emissionsstrom erzeugt, wenn eine impulsförmige Spannung an eine erfindungsgemäß hergestellte Elektronen-emittierende Vorrichtung angelegt wird, solange die angelegte Spannung unterhalb des Schwellenpegels bleibt, wohingegen ein Elektronenstrahl emittiert wird, sobald die angelegte Spannung den Schwellenpegel überschreitet. Es sollte hier beachtet werden, daß die Intensität eines ausgegebenen Elektronenstrahls durch Ändern des Spitzenwertpegels Vm der impulsförmigen Spannung gesteuert werden kann. Zudem kann die Gesamtmenge elektrischer Ladung eines Elektronenstrahls durch Variation der Impulsbreite Pw gesteuert werden.
Somit kann entweder ein Modulationsverfahren oder Impulsbreitenmodulation zur Modulation einer Elektronen-emittierenden Vorrichtung im Ansprechen auf ein Eingangssignal verwendet werden. Bei Spannungsmodulation wird eine Spannungsmodulationsartschaltung als Modulationssignalerzeugungseinrichtung 47 verwendet, so daß der Spitzenwertpegel der impulsförmigen Spannung gemäß Eingabedaten moduliert wird, während die Impulsbreite konstant gehalten wird.
Bei der Impulsbreitenmodulation andererseits wird eine Impulsbreitenmodulationsartschaltung als Modulationssignalerzeugungseinrichtung 47 verwendet, so daß die Impulsbreite der angelegten Spannung entsprechend Eingabedaten moduliert werden kann, während der Spitzenwertpegel der angelegten Spannung konstant gehalten wird.
Obwohl es vorstehend nicht besonders erwähnt wurde, können das Schieberegister 44 und der Zeilenspeicher 45 entweder für digitale oder analoge Signalarten ausgelegt sein, solange die Seriell/Parallelwandlungen und Speicherung von Videosignalen mit einer gegebenen Rate erfolgen.
Wenn Vorrichtungen bzw. Einrichtungen für digitale Signale verwendet werden, müssen Ausgangssignale DATEN der Synchronisationssignaltrennschaltung 46 digitalisiert werden. Jedoch kann eine derartige Wandlung leicht erfolgen, indem ein A/D-Wandler am Ausgang der Synchronisationssignaltrennschaltung 46 vorgesehen wird. Es ist unnötig zu erwähnen, daß unterschiedliche Schaltungen für die Modulationssignalerzeugungseinrichtung 47 verwendet werden können, abhängig davon, ob Ausgangssignale des Zeilenspeichers 45 digitale Signale oder analoge Signale sind. Wenn digitale Signale verwendet werden, kann eine D/A-Wandlerschaltung einer bekannten Bauart für die Modulationssignalerzeugungsschaltung 47 und, falls erforderlich, zusätzlich eine Verstärkerschaltung verwendet werden. Hinsichtlich der Impulsbreitenmodulation kann die Modulationssignalerzeugungseinrichtung 47 realisiert werden, indem eine Schaltung verwendet wird, die einen Hochgeschwindigkeitsoszillator, einen Zähler zum Zählen der Anzahl von seitens des Oszillators erzeugten Schwingungen und einen Vergleicher zum Vergleichen des Ausgangs des Zählers und des Ausgangs des Speichers kombiniert. Falls erforderlich kann ein Verstärker zur Verstärkung der Spannung des Ausgangssignals des Vergleichers mit einer modulierten Impulsbreite auf den Pegel der Ansteuerspannung einer erfindungsgemäß hergestellten Elektronen- emittierenden Vorrichtung einer Oberflächenleitungsbauart hinzugefügt werden.
Wenn andererseits analoge Signale in Verbindung mit der Spannungsmodulation verwendet werden, kann geeigneterweise eine Verstärkerschaltung mit einem bekannten Operationsverstärker als Modulationssignalerzeugungseinrichtung 47 verwendet werden, wobei falls erforderlich eine Pegelschieberschaltung hinzugefügt werden kann. Hinsichtlich der Impulsbreitenmodulation kann eine bekannte spannungsgesteuerte Oszillationsschaltung (VCO), falls notwendig in Verbindung mit einem zusätzlichen Verstärker verwendet werden, der zur Spannungsverstärkung bis hin zur Ansteuerspannung der Elektronen-emittierenden Vorrichtung der Oberflächenleitungsbauart verwendbar ist.
Bei einem Bilderzeugungsgerät mit einer vorstehend beschriebenen Konfiguration, emittieren die Elektronen-emittierenden Vorrichtungen Elektronen, wenn über die externen Anschlüsse Dox1 bis Doxm und Doy1 bis Doyn eine Spannung daran angelegt wird. Dann werden die erzeugten Elektronenstrahlen durch Anlegen einer Hochspannung an die Metallrückseite 35 oder eine (nicht dargestellte) transparente Elektrode über den Hochspannungsanschluß Hv beschleunigt. Die beschleunigten Elektronen kollidieren schließlich mit dem Fluoreszenzfilm 34, welcher daraufhin glüht bzw. aufleuchtet, um Bilder zu erzeugen.
Die vorstehend beschriebene Konfiguration eines Bilderzeugungsgerätes ist lediglich ein Beispiel, und kann verschiedenen Modifikationen unterzogen werden. Das mit einem derartigen Gerät zu verwendende Fernsehsignalsystem ist nicht auf ein spezielles beschränkt, und jedes System wie beispielsweise NTSC, PAL oder SECAM kann geeignet damit verwendet werden. Es ist insbesondere für Fernsehsignale geeignet, die eine größere Anzahl von Abtastzeilen mit sich bringen (typischerweise ein hochauflösendes Fernsehsystem wie beispielsweise das MUSE System), da es für ein großes Anzeigefeld mit einer großen Anzahl von Bildelementen bzw. Pixeln verwendet werden kann.
Nun wird mit Bezug auf 13 und 14 eine Elektronenquelle mit einer Vielzahl von auf eine leiterartige Weise auf einem Substrat angeordneten Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen sowie ein Bilderzeugungsgerät mit einer derartigen Elektronenquelle beschrieben.
Zunächst auf 13 bezeichnet Bezugszeichen 21 ein Elektronenquellensubstrat und Bezugszeichen 24 eine auf dem Substrat angeordnete Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtung, wohingegen Bezugszeichen 26 gemeinsame Leitungen Dx1 bis Dx10 zum Anschluß der Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen bezeichnet. Die Elektronen-emittierenden Vorrichtungen sind in Reihen in X-Richtung angeordnet (nachstehend als Vorrichtungsreihen bezeichnet), um eine Elektronenquelle zu bilden, die eine Vielzahl von Vorrichtungsreihen aufweist, wobei jede Reihe eine Vielzahl von Vorrichtungen enthält. Die Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen jeder Vorrichtungsreihe sind elektrisch parallel zueinander durch ein Paar gemeinsamer Leitungen verschaltet, so daß sie unabhängig durch Anlegen einer geeigneten Ansteuerspannung an das Paar gemeinsamer Leitungen angesteuert werden können. Genauer gesagt wird eine den Elektronen-emissionsschwellenwertpegel überschreitende Spannung an die Vorrichtungsreihen angelegt, die zur Emission von Elektronen anzusteuern sind, wohingegen eine unterhalb des Elektronenemissionsschwellenwertpegels liegende Spannung an die verbleibenden Vorrichtungsreihen angelegt wird. Alternativ können jeweils zwei externe Anschlüsse, die zwischen zwei benachbarten Vorrichtungsreihen angeordnet sind, eine einzelne gemeinsame Leitung teilen. Folglich können von den gemeinsamen Leitungen Dx2 bis Dx9, Dx2 und Dx3 als einzelne gemeinsame Leitung anstatt als zwei Leitungen ausgebildet sein.
14 ist eine schematische Perspektivansicht des Anzeigefeldes eines Bilderzeugungsgeräts, das eine Elektronen-quelle mit einer leiterartigen Anordnung von Elektronen-emittierenden Vorrichtungen enthält. Gemäß 14 weist das Anzeigefeld Gitterelektroden 27 auf, von denen jede mit einer Anzahl von Bohrungen 28 versehen ist, um es Elektronen zu ermöglichen, durch diese hindurchzutreten, sowie einen Satz externer Anschlüsse Dox1, Dox2, ..., Doxm, die mit Bezugszeichen 29 bezeichnet sind, zusammen mit einem anderen Satz externer Anschlüsse G1, G2, ..., Gn, die mit Bezugszeichen 30 bezeichnet sind und an die jeweiligen Gitterelektroden 27 angeschlossen sind, und ein Elektronen-quellensubstrat 21. Es ist zu beachten, daß in 14 die Komponenten, die ähnlich jenen aus 10 und 13 sind, jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Das Bilderzeugungsgerät unterscheidet sich von dem Bilderzeugungsgerät mit einer einfachen Matrixanordnung gemäß 10 hauptsächlich darin, daß das Gerät gemäß 14 Gitterelektroden 27 aufweist, die zwischen dem Elektronenquellensubstrat 21 und der Frontplatte 36 angeordnet sind.
In 14 sind die streifenförmigen Gitterelektroden 27 bezogen auf die leiterartigen Vorrichtungsreihen zur Modulation der Elektronenstrahlen, die von den Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen emittiert werden, senkrecht angeordnet, wobei jede mit Durchgangsbohrungen 28 entsprechend jeweiligen Elektronen-emittierenden Vorrichtungen versehen ist, damit Elektronenstrahlen hindurchtreten können. Es ist jedoch zu beachten, daß obwohl streifenförmige Gitterelektroden in 14 dargestellt sind, das Profil und die Anordnungen der Elektroden nicht darauf beschränkt sind. Beispielsweise können sie alternativ mit gitterartigen Öffnungen versehen sein und um oder nahe bei den Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen angeordnet sein.
Die externen Anschlüsse 29 und die externen Anschlüsse für die Gitter 30 sind elektrisch an eine (nicht dargestellte) Steuerschaltung angeschlossen.
Ein Bilderzeugungsgerät mit einer wie vorstehend beschriebenen Konfiguration kann zur Elektronenstrahlbeleuchtung betrieben werden, indem gleichzeitig Modulationssignale an die Reihen von Gitterelektroden für eine einzelne Zeile eines Bildes synchron zum Betrieb des Ansteuerns (Abtastens) der Elektronen-emittierenden Vorrichtungen, Reihe für Reihe, angelegt werden, so daß das Bild zeilenweise angezeigt werden kann.
Folglich kann ein Anzeigegerät gemäß der Erfindung und mit einer wie vorstehend beschriebenen Konfiguration ein breites Feld industrieller und kommerzieller Anwendungen haben, da es als Anzeigegerät für Fernsehsendungen, als ein Endgerät für Videotelekonferenzen, als ein Editiergerät für Steh- und Bewegtbilder, als ein Endgerät für ein Computersystem, als ein optischer Drucker mit einer fotoempfindlichen Trommel und auf viele andere Arten und Weisen einsetzbar ist.
Nun wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen beschrieben.
[Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1]
Jede der in diesen Beispielen hergestellten Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen war ähnlich zu der in 1A und 1B schematisch dargestellten. Tatsächlich wurde ein Paar Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierender Vorrichtungen auf einem Substrat für diese Beispiele hergestellt. Die Vorrichtungen wurden anhand ei nes Verfahrens hergestellt, das im wesentlichen das gleiche wie das zuvor in Bezug auf 4A bis 4D beschriebene war.
Die Beispiele sowie das Verfahren zur Herstellung der Proben der Beispiele werden nachstehend mit Bezug auf 1A und 1B und 4A bis 4D beschrieben.
Schritt-a:
Nach gründlicher Reinigung einer Kalknatronglasplatte wurde darauf ein Siliziumoxidfilm in eine Dicke von 0,5 μm durch Sputtern ausgebildet, um ein Substrat 1 zu erzeugen, auf dem ein gewünschtes Muster bzw. eine gewünschte Struktur aus Fotolack (RD-2000N-41: erhältlich von Hitachi Chemical Co. Ltd.) mit den Konturen eines Paars von Elektroden entsprechenden Öffnungen für jede Vorrichtung ausgebildet wurde. Dann wurden ein Ti-Film und ein Ni-Film sequentiell in jeweiligen Dicken von 5 und 100 nm durch Vakuumabscheidung ausgebildet. Danach wurde der Fotolack mittels eines organischen Lösungsmittels aufgelöst und die nicht erforderlichen Abschnitte des Ni/Ti-Films wurden abgehoben, um ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 für jede Vorrichtung zu erzeugen. Die Vorrichtungselektroden waren in einem Abstand L von 3 μm beabstandet und hatten eine Breite von W = 300 μm (4A).
Schritt-b:
Eine Maske aus Cr-Film wurde ausgebildet, um einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 für jede Vorrichtung zu erzeugen. Genauer gesagt wurde ein Cr-Film auf dem die Vorrichtungselektroden tragenden Substrat in einer Dicke von 300 nm durch Vakuumabscheidung ausgebildet, und dann wurde für jede Vorrichtung mittels Fotolithographie eine dem Muster eines elektrisch leitfähigen Dünnfilms entsprechende Öffnung ausgebildet.
Danach wurde eine Lösung aus einem Pd-Aminkomplex (ccp4230: erhältlich von Okuno Pharmaceutical Co. Ltd.) mittels einer Aufschleudereinrichtung auf den Cr-Film aufgebracht und bei 300°C 12 Minuten lang in der Atmosphäre gebacken, um einen Film aus feinen Partikeln mit PdO als Hauptbestandteil zu erzeugen. Der Film hatte eine Filmdicke von 7 nm.
Schritt-c:
Der Cr-Film wurde durch Naßätzen entfernt und der Film aus feinen Pd-Partikeln wurde abgehoben, um einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 mit einem gewünschten Profil für jede Vorrichtung zu erhalten. Die elektrisch leitfähigen Dünnfilme hatten einen elektrischen Widerstand von Rs = 2 × 10⁴ Ω/⎕. (4B)
Schritt-d:
Dann wurden die Vorrichtungen in die Vakuumkammer eines Meßsystems wie in 7 dargestellt eingebracht und das Innere der Vakuumkammer 15 wurde mittels einer Vakuumpumpeneinheit 16 bis zu einem Druck von 2,7 × 10^–3 Pa evakuiert. Dann wurden die Probenvorrichtungen einem Ausbildungsvorgang durch Anlegen einer Spannung zwischen die Vorrichtungeselektroden 2, 3 jeder Vorrichtung unterzogen. Die angelegte Spannung war eine Dreieckimpulssignalspannung, deren Spitzenwert allmählich mit der Zeit anstieg, wie in 5B dargestellt. Die Impulsbreite von T1 gleich 1 ms und das Impulsintervall von T2 gleich 10 ms wurden verwendet. Während des Ausbildungsvorgangs wurde eine zusätzliche (nicht dargestellte) Impulsspannung von 0,1 V in Intervallen der Ausbildungsimpulsspannung eingefügt, um den Widerstand des Elektronen-emittierenden Bereichs zu bestimmen, den Widerstand kontinuierlich zu überwachen, und der elektrische Ausbildungsvorgang wurde beendet, wenn der Widerstand 1 MΩ überschritt. Die Spitzenwerte bzw. Peakwerte der Impulsspannung (Ausbildungsspannung) betrugen 5,0 V bzw. 5,1 V für die zwei Vorrichtungen, wenn der Ausbildungsvorgang beendet war.
Schritt-e:
Daraufhin wurde das Paar Vorrichtungen einem Aktivierungsvorgang unterzogen, wobei der Innendruck der Vakuumkammer 15 auf etwa 2,0 × 10^–3 Pa beibehalten wurde. Eine Rechteckimpulsspannung mit einer Höhe von Vph = 18 V gemäß der Darstellung in 6B wurde an jede Vorrichtung angelegt, wobei sowohl If als auch Ie überwacht wurden, bis Ie in einen Sättigungszustand nach 30 Minuten gelangte, wenn der Ausbildungsvorgang beendet wurde.
Danach wurde die Elektronenemissionsfunktion der Vorrichtungen bestimmt. Die Vakuumpumpeneinheit wurde zu einer Ionenpumpe umgeschaltet, die darin vorhanden war, um jegliche organische Substanzen zu beseitigen, die möglicherweise in der Vakuumkammer verbleiben könnten. Das System umfaßte zudem eine Anode zum Einfangen von von der Elektronenquelle emittierten Elektronen, an die eine Spannung, die um 1 kV höher war als die an die Elektronenquelle angelegte Spannung, von einer Hochspannungsquelle her angelegt wurde. Die Vorrichtungen und die Anode waren durch einen Abstand von H = 4 mm getrennt. Der Innendruck der Vakuumkammer 15 während dieses Meßzyklus betrug 4,2 × 10^–4 Pa (4,2 × 10^–5 Pz hinsichtlich des Partialdrucks der organischen Substanzen).
Bei den Messungen wurden If = 2,0 mA und Ie = 4,0 μA oder ein Elektronenemissionswirkungsgrad von η = Ie/If = 0,2% für beide Vorrichtungen beobachtet.
Schritt-f:
Eine der Vorrichtungen wird als Vorrichtung A bezeichnet, während die andere als Vorrichtung B bezeichnet wird. Die Impulsspannung aus Schritt-e wurde kontinuierlich an lediglich die Vorrichtung A in Schritt-f angelegt.
Wasserstoffgas wurde in die Vakuumkammer eingeführt, um einen Druck von 1,3 × 10^–2 Pa im Inneren zu erzeugen. Dann wurde der Vorrichtungsstrom If der Vorrichtung A allmählich verringert, bis If = 1 mA beobachtet wurde, wenn der Vorrichtungsstrom im wesentlichen stabilisiert war.
Dann wurde die Zufuhr von Wasserstoffgas gestoppt und der Innendruck auf 1,3 × 10^–4 Pa reduziert. Unter dieser Bedingung wurde eine Rechteckimpulsspannung von 18 V an beide Vorrichtungen A und B angelegt, um die jeweiligen Raten der Elektronenemission zu bestimmen. Danach wurden die Vorrichtungen kontinuierlich angesteuert, um für eine lange Dauer in Betrieb zu sein, um zu sehen, wie die Funktionen der Vorrichtungen sich ändern. Dann wurden die Vorrichtungen weiter angesteuert, um einzeln in Betrieb zu sein, wobei die Anodenspannung schrittweise mit einem Schritt von 0,5 kV erhöht wurde, um die obere Grenze für die Vorrichtung zu bestimmen, bei der sie angesteuert werden kann, ohne daß ein Phänomen der elektrischen Entladung erzeugt wird, oder um die obere Grenze der Haltespannung für die elektrische Entladung zu bestimmen. Die nachstehende Tabelle zeigt die erhaltenen Ergebnisse für diese Beispiele. Wie aus der Tabelle ersichtlich, zeigte die Vorrichtung A einen verbesserten Elektronenemissionswirkungsgrad im Vergleich zur Vorrichtung B und behielt ihre ausgezeichnete Funktion für eine verlängerte Zeitperiode mit einem verbesserten Haltespannungsgrenzwert für die elektrische Entladung bei.
[Beispiel 2]
Jede der bei diesen Beispielen hergestellten Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen war ähnlich der in 1A und 1B schematisch dargestellten. Insgesamt wurden vier identische Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtungen auf ein Substrat für diese Beispiele hergestellt.
Schritt-a:
Eine gewünschte Struktur aus Fotolack (RD-2000N-41: erhältlich von Hitachi Chemical Company Ltd.) mit den Konturen eines Paars von Elektroden entsprechenden Öffnungen wurde für jede Vorrichtung auf einem sorgfältig gereinigten Quarzglassubstrat 1 hergestellt, auf dem ein Ti-Film und ein Ni-Film sequentiell in jeweiligen Dicken von 5 nm und 100 nm durch Vakuumabscheidung ausgebildet wurden. Danach wurde der Fotolack mittels eines organischen Lösungsmittels gelöst und die nicht erforderlichen Abschnitte des Ni/Ti-Films wurden abgehoben, um ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 für jede Vorrichtung zu erzeugen. Die Vorrichtungselektroden waren durch einen Abstand von L = 10 μm getrennt und hatten eine Breite von W = 300 μm.
Schritt-b:
Ein elektrisch leitfähiger Dünnfilm 3 zur Ausbildung eines Elektronen-emittierenden Bereichs 2 wurde durch Strukturierung ausgebildet, um ein gewünschtes Profil anzunehmen. Genauer gesagt wurde ein Cr-Film auf dem die Vorrichtungselektroden tragenden Substrat in einer Dicke von 50 nm durch Vakuumabscheidung ausgebildet, und dann wurde eine dem Muster eines Paars von Vorrichtungselektroden 2, 3 ent sprechende Öffnung und ein Spalt zwischen Elektroden für jede Vorrichtung ausgebildet.
Danach wurde eine Lösung aus einem Pd-Aminkomplex (ccp4230: erhältlich von Okuno Pharmaceutical Company Ltd.) mittels einer Aufschleudereinrichtung auf den Cr-Film aufgebracht und bei 300°C 10 Minuten lang in der Atmosphäre gebacken, um einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 zu erzeugen, der PdO als Hauptbestandteil enthält. Der Film hatte eine Filmdicke von 12 nm.
Schritt-c:
Der Cr-Film wurde durch Naßätzen entfernt und der elektrisch leitfähige Dünnfilm 4 wurde verarbeitet, um ein eine gewünschte Struktur zu erhalten. Die elektrisch leitfähigen Dünnfilme hatten einen elektrischen Widerstand von Rs = 1,5 × 10⁴ Ω/⎕.
Schritt-d:
Dann wurden die Vorrichtungen in die Vakuumkammer eines gemäß 7 dargestellten Meßsystems eingebracht und das Innere der Vakuumkammer 15 wurde mittels einer Vakuumpumpeneinheit 16 (Ionenpumpe) bis zu einem Druck von 2,6 × 10^–6 Pa evakuiert. Danach wurden die Probenvorrichtungen einem Erregungsausbildungsvorgang durch Anlegen einer Impulsspannung zwischen die Vorrichtungselektroden 2, 3 jeder Vorrichtung mittels einer Spannungsquelle 11 unterzogen, die entworfen war, um eine Vorrichtungsspannung Vf an jede Vorrichtung anzulegen. Der Impulssignalverlauf der angelegten Spannung für den Ausbildungsvorgang ist in 5B dargestellt.
Bei diesem Beispiel hatte die Impulsspannung eine Impulsbreite von T1 = 1 ms und ein Impulsintervall von T2 = 10 ms und die Spitzenspannung bzw. Peak-Spannung (für den Ausbil dungsvorgang) wurde schrittweise mit einem Schritt von 0,1 V erhöht. Während des Ausbildungsvorgangs wurde eine zusätzliche (nicht dargestellte) Impulsspannung von 0,1 V in Intervallen der Ausbildungsimpulsspannung eingefügt, um den Widerstand des Elektronen-emittierenden Bereichs zu bestimmen, wodurch der Widerstand kontinuierlich überwacht wurde, und der elektrische Ausbildungsvorgang wurde beendet, wenn der Widerstand 1 MΩ überschritt. Der Spitzenwert der Impulsspannung (Ausbildungsspannung) betrug 7.0 Volt für alle Vorrichtungen, wenn der Ausbildungsvorgang beendet war.
Schritt-e:
Das variable Durchlaßventil 17 wurde geöffnet, um Aceton aus dem Flüssigkeitsreservoir 18 des Meßsystems einzuführen. Der Partialdruck von Aceton in der Vakuumkammer 15 wurde mittels eines Vierpol- bzw. Quadrapol-Massenalysators überwacht und das Ventil wurde geregelt, um den Partialdruck auf 1,3 × 10^–1 Pa einzustellen.
Schritt-f:
Eine monopolare Rechteckimpulsspannung mit einem Signalverlauf gemäß der Darstellung in 6B wurde an jede Vorrichtung angelegt. Die Impulssignalhöhe, die Impulsbreite und das Impulsintervall betrugen jeweils Vph = 18 V, Ti = 1 ms und T2 = 10 ms. Die Impulsspannung wurde kontinuierlich 30 Minuten lang angelegt, bevor die Spannungsanlegung beendet wurde. Der Vorrichtungsstrom betrug If = 1,5 mA am Ende der Spannungsanlegung.
Schritt-g:
Die Zufuhr von Aceton wurde beendet und die Vakuumkammer 15 wurde weiter evakuiert, während die Vorrichtung auf 80°C erwärmt wurde.
Schritt-h:
Dann wurde Wasserstoff in die Vakuumkammer 15 durch Betätigung der Massenströmungssteuerungseinheit eingebracht, bis der Partialdruck von Wasserstoff 1,3 × 10^–2 Pa betrug.
Schritt-i:
Eine Impulsspannung, die gleich der in Schritt-f verwendeten war, wurde 5 Minuten lang angelegt, und dann wurde die Spannungsanlegung beendet. Danach wurde der Wasserstoff aus der Kammer entfernt. Der Vorrichtungsstrom betrug If = 1,2 mA am Ende der Spannungsanlegung.
Schritt-j:
Das Innere der Vakuumkammer wurde mittels einer Ionenpumpe evakuiert, während die Vakuumkammer beheizt wurde. Gleichzeitig wurden die Vorrichtungen auf 250°C mittels einer in der Halterung angeordneten Heizvorrichtung erwärmt. Dann wurde der Innendruck der Vakuumkammer auf 1,3 × 10^–6 Pa verringert und eine Rechteckimpulsspannung von 18 V mit einer Impulsbreite von 100 μs wurde an die Vorrichtungen angelegt, um sicherzustellen, daß die Vorrichtungen hinsichtlich der Elektronenemission stabil arbeiten.
[Vergleichsbeispiel 2]
Eine dem Beispiel 2 ähnliche Probe wurde den Schritten a bis g gemäß Beispiel 2 unterzogen. Unter Auslassung der Schritte-h und i wurde die Probe dann einem Stabilisierungsvorgang gemäß Schritt-j unterzogen.
[Beispiel 3]
Eine Probe ähnliche der gemäß Beispiel 2 wurde Schritt-a bis e gemäß Beispiel 2 unterzogen. Dann wurde eine bipolare Impulsspannung mit einem gemäß 6A dargestellten Signalverlauf an die Probe in Schritt-f und i angelegt. Die Impulsspannungen bei diesen Schritten waren identisch und hatten eine Impulshöhe, eine Impulsbreite und ein Impulsintervall von jeweils Vph = V'ph = 18 V, T1 = T'1 = 1 ms und T2 = T'2 = 10 ms. Der Vorrichtungsstrom am Ende von Schritt-f war gleich If = 1,8 mA und am Ende von Schritt-i gleich If = 1,4 mA.
Danach wurde die Probe einem Stabilisierungsvorgang ähnlich Schritt-i gemäß Beispiel 2 unterzogen.
[Beispiel 4]
Eine Probe ähnlich der gemäß Beispiel 2 wurde Schritt-a bis d gemäß Beispiel 2 unterzogen. Dann wurde die Probe aus der Vakuumkammer entnommen und darauffolgend dem folgenden Schritt unterzogen.
Schritt-d':
Die in Schritt-b gemäß Beispiel 2 verwendete Pd-Aminkomplexlösung wurde mit Butylacetat auf ein Drittel der ursprünglichen Konzentration verdünnt. Die verdünnte Lösung wurde mittels einer Aufschleudereinrichtung auf die Probe aufgebracht und die Probe wurde bei 300°C in der Atmosphäre 10 Minuten lang gebacken. Danach verblieb sie 60 Minuten in einer Gasströmung aus einer Mischung aus N₂(98%)-H₂(2%).
Wenn die Vorrichtungen durch ein Abtastelektronenmikroskop (SEM) beobachtet wurden, stellte sich heraus, daß feine Pd-Partikel mit einem Durchmesser zwischen 3 und 7 nm innerhalb des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs jeder Vorrichtung dispergiert waren.
Danach wurden die Proben Vorgängen bzw. Prozessen unterzogen, die ähnlich jenen gemäß Schritt-e und weiteren gemäß Beispiel 2 waren. Da der Vorrichtungsstrom If einen frühen Anstieg in Schritt-f zeigte, wurde die Spannungsanlegung 15 Minuten nach dem Beginn ausgesetzt. Der Vorrichtungsstrom betrug If = 1,8 mA und 1,3 mA jeweils am Ende von Schritt-f und Schritt-i.
Dann wurde die Probe einem Stabilisierungsvorgang wie in Schritt-j gemäß Beispiel 2 unterzogen.
[Beispiel 5]
Eine der gemäß Beispiel 2 ähnliche Probe wurde Schritt-a bis d gemäß Beispiel 2 unterzogen. Dann wurden die folgenden Schritte ausgeführt.
Schritt-e'':
Metan wurde in die Vakuumkammer 15 eingeführt. Das (nicht dargestellte) Hauptventil der Vakuumpumpeneinheit 16 wurde nachgestellt, um die Leitfähigkeit zu verringern und die Metandurchflußrate zu regeln, bis der Innendruck der Vakuumkammer auf 130 Pa war.
Schritt-f'':
Eine monopolare Rechteckimpulsspannung (6B) wurde kontinuierlich an die Probe 60 Minuten lang angelegt. Die Impulsspannung hatte eine Signalhöhe bzw. Amplitude von 18 V, eine Impulsbreite von 1 ms und ein Impulsintervall von 10 ms. Der Vorrichtungsstrom betrug If = 1,3 mA am Ende der Impulsanlegung.
Schritt-g'':
Die Zufuhr von Metan wurde gestoppt und das Innere der Vakuumkammer 15 wurde evakuiert. Danach wurde Wasserstoff in die Kammer eingeleitet, bis der interne Druck 1,3 × 10^–2 Pa erreichte.
Schritt-h'':
Eine Impulsspannung gleich der gemäß Schritt-f'' wurde 5 Minuten lang an die Probe angelegt. Der Vorrichtungsstrom betrug If = 1,1 mA am Ende der Impulsanlegung. Danach wurde die Probe einem Stabilisierungsvorgang gemäß Schritt-j in Beispiel 2 unterzogen.
Eine Vorrichtung wurde von jedem der Beispiele 2 bis 5 und Vergleichsbeispiel 2 ausgewählt bzw. herausgenommen und hinsichtlich der Funktion zur Elektronenemission mittels der Anordnung gemäß 7 getestet. Während des Tests wurde der Innendruck der Vakuumkammer niedriger als 2,7 × 10^–6 Pa gehalten und die Funktion jeder Vorrichtung wurde getestet, nachdem die Heizvorrichtung zum Heizen der Vorrichtung ausgeschaltet war und die Vorrichtung auf Raumtemperatur abgekühlt war.
Die an die Vorrichtungen angelegte Spannung war eine monopolare Rechteckimpulsspannung gemäß der Darstellung in 6B und hatte jeweils eine Impulshöhe, eine Impulsbreite und ein Impulsintervall von Vph = 18 V, T1 = 100 μs und T2 = 10 ms. Bei dem Meßsystem waren die Vorrichtungen von der Anode durch H = 4 mm getrennt und die Potentialdifferenz wurde auf 1 kV gehalten.
Jede der Vorrichtungen wurde getestet, um die Funktion der Elektronenemission unmittelbar nach dem Start des Tests und nach 100 Stunden kontinuierlichen Dauerbetriebs zu bewerten. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben.
Eine weitere Vorrichtung, die dem obigen Test zur Bewertung der Funktion der Elektronenemission nicht unterzogen wurde, wurde von jedem der Beispiele 2 bis 5 und Vergleichsbeispiel 2 ausgewählt und hinsichtlich der Haltespannung für die elektrische Entladung getestet. Eine monopolare Rechteckimpulsspannung gemäß der Darstellung in 6B wurde an jede Vorrichtung angelegt, während die Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Vorrichtung (Anodenspannung Va) schrittweise von 1 kV mit einem Schritt von 0,5 kV erhöht wurde, und die Vorrichtung wurde angesteuert, um mit jeder Anodenspannung 10 Minuten lang betrieben zu werden. Wenn die Vorrichtung aufgrund einer elektrischen Entladung bei einer gegebenen Anodenspannung Va nicht beschädigt wurde, wurde dies so beurteilt, daß die Vorrichtung der Anodenspannung widerstand. Die maximalen Haltespannungen der Vorrichtungen gemäß Beispielen 2 bis 5 und Vergleichsbeispiel 2 sind nachstehend angegeben.
Noch eine weitere Vorrichtung, die nicht obigen Tests zur Bewertung der Funktion der Elektronenemission sowie der Haltespannung unterzogen wurde, wurde von jedem der Beispiele 2 bis 5 und Vergleichsbeispiele 2 ausgewählt, und jede Vorrichtung wurde durch Schneiden des Substrats getrennt und durch ein Abtastelektronenmikroskop (SEM) beobachtet. Ein Kohlenstofffilm wurde lediglich an dem anodenseitigen Ende des Spalts beobachtet, während kein Kohlenstofffilm außerhalb des Spalts in dem Elektronen-emittierenden Bereich der Vorrichtungen von Beispiel 2 und 4 gefunden wurde. Ein Kohlenstofffilm wurde auf beiden, dem anodenseitigen Ende und dem kathodenseitigen Ende des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs der Vorrichtung gemäß Beispiel 3 gefunden, während praktisch kein Kohlenstofffilm außerhalb des Spalts beobachtet wurde.
Im Gegensatz zu diesen wurde ein Kohlenstofffilm hauptsächlich im Inneren und hinter dem Spalt an dem anodenseitigen Ende und ebenso in einem geringen Ausmaß an der Kathodenseite bei der Vorrichtung des Vergleichsbeispiels 2 gefunden.
Eine Vertiefung wurde auf dem Substrat jeder der Vorrichtungen der obigen Beispiele und des Vergleichsbeispiels zwischen dem Kohlenstofffilm und dem kathodenseitigen elektrisch leitfähigen Dünnfilm oder zwischen den Kohlenstofffilmen an den anoden- und kathodenseitigen Enden beobachtet.
Voraussichtlich können in dem Aktivierungsvorgang erzeugte Radikale mit dem Substrat reagiert haben, um die Vertiefung zu erzeugen.
Die Vorrichtungen der obigen Beispiele sowie Vergleichsbeispiele einschließlich jener von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 wurden hinsichtlich der Kristallinität des Kohlenstofffilms mittels eines Raman-Spektrometers untersucht. Ein Ar-Laser mit einer Wellenlänge von 514,5 nm wurde als Lichtquelle verwendet, die einen Lichtfleck bzw. Lichtpunkt mit einem Durchmesser von etwa 1 μm auf der Oberfläche der Probe erzeugte.
Wenn der Lichtfleck auf oder um den Elektronen-emittierenden Bereich positioniert wurde, wurde ein Spektrum mit Peaks in der Nähe von 1,335 cm^–1 (P1) und 1,580 cm^–1 (P2) zum Nachweis einer Existenz eines Kohlenstofffilms erhalten. 2 stellt das Spektrum schematisch dar. Die Peaks konnten unter der Annahme der Existenz eines dritten Peaks in der Nähe von 1,490 cm^–1 für die Vorrichtungen der obigen Beispiele und Vergleichsbeispiele getrennt werden.
Von den Peaks bzw. Spitzenwerten kann P2 einem elektronischen Übergang in der Atombindung von Graphit zugeordnet werden, der die Substanz bzw. den Stoff kennzeichnet, wohingegen P1 einer gestörten Periodizität im Graphitkristall zugeordnet werden kann. Während lediglich P2 bei einem reinen Graphiteinkristall auftreten würde, wird P1 somit beachtlich, wenn Graphit eine große Anzahl kleiner Kristalle enthält oder defekte Gitterstrukturen hat. Mit der Verringerung der Kristallinität von Graphit wächst P1 weiter in sowohl der Höhe als auch der Breite. P1 kann seinen Ort verschieben, was die Kristallbedingungen im Inneren wiederspiegelt.
Es kann korrekt sein, anzunehmen, daß die Existenz von anderen Peaks als P2 der kleinen Kristallgröße von Graphit in jeder der Vorrichtungen der obigen Beispiele und Vergleichsbeispiele zugeordnet werden konnte. In den nachfolgenden Erörterungen wird die Halbwertsbreite von P1 verwendet, um die Kristallinität von Graphit für Beispiele und Vergleichsbeispiele anzugeben, da die Lichtintensität an P1 ausreichend stark war.
P1 zeigte unterschiedliche Profile innerhalb des Spalts und hinter bzw. außerhalb des Spalts in der Vorrichtung von Vergleichsbeispiel 2. Wenn der Laserlichtfleck auf den Spalt des Elektronen-emittierenden Bereichs fokussiert war, zeigte P1 eine Halbwertsbreite von annähernd 150 cm^–1, jedoch verringerte sich die Halbwertsbreite merklich bei einem von dem Spalt um mehr als 1 μm getrennten Lichtfleck auf einen Wert von 300 cm^–1, was anzeigt, daß die Kristallinität von Graphit in dem Spalt hoch und außerhalb des Spalts gering ist. Kein signifikanter Peak wurde außerhalb des Spalts in einer der Vorrichtungen von Beispielen 2 bis 5 beobachtet, und die Halbwertsbreite von P1 zeigte an, daß eine Kristallinität bei diesen erreicht war, die höher als bei Vergleichsbeispielen war.
Der aus den Intensitäten der drei Peaks abgeschätzte Durchmesser von Graphitkristallen lag zwischen 2 und 3 nm für die Vorrichtungen der Beispiele.
Der Kohlenstofffilm von jeder der obigen Vorrichtungen wurde mittels eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) untersucht. In jedem der Beispiele 1 bis 5 wurde ein Gitterbild in dem Kohlenstofffilm innerhalb des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs beobachtet, um nachzuweisen, daß der Kohlenstofffilm hauptsächlich aus Graphitkristallen mit einer Partikelgröße von 2 bis 3 nm oder größer bestand. Diese Beobachtung stimmte mit dem Ergebnis der Raman-Spektrometrieanlyse überein. 15 zeigt schematisch das an einer der Kanten des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs einer Vorrichtung beobachtete Gitterbild. Hier ist eine Hälfte des Spalts gezeigt. Ein kapselartiges Kristallgitter, das einen feinen Partikel aus Pd umgab, wurde innerhalb des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs der Vorrichtung von Beispiel 4 beobachtet. 16 zeigt schematisch das beobachtete Gitterbild. Einige tatsächliche Kapseln, die keine feinen Partikel aus Pd enthielten, wurden gleichfalls gefunden. Während ein Gitterbild ebenso beobachtet wurde, um die Existenz von Graphit in dem Kohlenstofffilm innerhalb des Spalts der Vorrichtung von Vergleichsbeispiel 2 nachzuweisen, war ein derartiges Gitter lediglich in einem Teil des hinter bzw. außerhalb des Spalts befindlichen Kohlenstofffilms existent, und der Kohlenstofffilm bestand im wesentlichen aus amorphem Kohlenstoff.
Wie vorstehend beschrieben kann das Phänomen der elektrischen Entladung auftreten, wenn Ionen und Elektronen mit dem Kohlenstofffilm an Stellen hinter dem Spalt kollidieren, um Gas aus Wasserstoffatomen und Kohlenstofffatomen entstehen zu lassen, was die elektrische Entladung auslösen kann: In jedem der Beispiele wurde der Kohlenstofffilm von derartigen Stellen entfernt und lediglich ein hochkristalliner Kohlenstofffilm verblieb innerhalb des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs, so daß praktisch kein Gas erzeugt wurde, so daß es der Vorrichtung möglich war, einer relativ hohen Anodenspannung zu widerstehen.
[Beispiel 6]
Bei diesem Beispiel wurde eine Vielzahl von Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen mit einer Konfiguration wie der gemäß 1A und 1B auf einem einzelnen Substrat ausgebildet und in eine versiegelte Glasta fel eingebracht, um eine einzelne zeilenartige Elektronen-quelle zu erzeugen. Die Probe wurde auf die nachstehend beschriebene Weise hergestellt.

(1) Nach gründlicher Reinigung und Trocknung eines Kalknatronsubstrats 1 wurde eine Maskenstruktur aus Fotolack (RD-2000N-41: erhältlich von Hitachi Chemical Co., Ltd.) mit den Konturen eines Paars von Elektroden entsprechenden Öffnungen für jede Vorrichtung ausgebildet. Dann wurden ein Ti-Film und ein Pt-Film sequentiell in einer jeweiligen Dicke von 5 nm und 30 nm mittels Vakuumabscheidung ausgebildet.
(2) Der Fotolack wurde mittels eines organischen Lösungsmittels aufgelöst und die nicht erforderlichen Abschnitte des Pt/Ti-Films wurden abgehoben, um ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 für jede Vorrichtung auszubilden. Die Vorrichtungselektroden waren durch einen Abstand von L = 10 μm getrennt. (4A)
(3) Ein Cr-Film wurde auf dem die Vorrichtungselektroden tragenden Substrat in einer Dicke von 30 nm durch Sputtern aufgebracht und dann zu einer Cr-Maske mit einer der Struktur eines elektrisch leitfähigen Dünnfilms entsprechenden Öffnung mittels Fotolithographie umgestaltet.
(4) Eine Lösung aus einem Pd-Aminkomplex (ccp4230: erhältlich von Okuno Pharmaceutical Co. Ltd.,) wurde zur Beschichtung des Cr-Films mittels einer Aufschleudereinrichtung aufgebracht und bei 300°C in der Atmosphäre gebacken, um einen Film aus feinen Partikeln mit PdO als einem Hauptbestandteil zu erzeugen. Der Cr-Film wurde naßgeätzt und der Film aus feinen PdO Partikeln wurde von nicht erforderlichen Bereichen entfernt, um einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 zu erzeugen. (4B)
(5) Die hergestellte Elektronenquelle wurde mit einer Rückplatte, einer mit fluoreszenten Körpern und einer Metallrückseite versehenen Frontplatte, einem Stützrahmen und einer Auslaßröhre kombiniert, die dann mit Schmelzglas miteinander verbunden wurden, um ein Elektronenquellenfeld bzw. eine Elektronenquellentafel zu erzeugen.
(6) Gemäß der Darstellung in 20 wurde die Elektronen-quellentafel 51 an eine Ansteuerschaltung 52, eine erste Vakuumpumpeneinheit 53 für Ultrahochvakuum mit einer Ionenpumpe als einem Hauptbestandteil, einer zweiten Vakuumpumpeneinheit 54 für Hochvakuum mit einer Turbopumpe und einer Rotationspumpe, einem Quadrapol-Massenanalysator 55 zur Überwachung der Atmosphäre innerhalb einer Vakuumkammer, und eine Massenströmungssteuerungseinrichtung 56 zur Regulierung der Strömungsrate bzw. Durchflußrate von Wasserstoffgas, wie in 20 gezeigt, angeschlossen.
(7) Das Innere der Elektronenquellentafel 51 wird mittels der zweiten Vakuumpumpeneinheit 54 auf einen Vakuumgrad von etwa 10^–4 Pa evakuiert.
(8) Ein Erregungsausbildungsvorgang wird für jede der Vorrichtungen in der Elektronenquellentafel durchgeführt, um einen Elektronen-emittierenden Bereich 5 mit einem Spalt darin auszubilden, wobei dies mittels der Ansteuerschaltung 52 erfolgt. (4C) Die für den Ausbildungsvorgang verwendete Impulsspannung war eine Dreieckssignalimpulsspannung mit T1 = 1 ms und Ts = 10 ms und einer Signalhöhe, die wie in 5B gezeigt sich allmählich erhöhte.
(9) Wasserstoff wurde in die Elektronenquellentafel durch geeignetes Betätigen der Massenströmungssteuereinrichtung 56 eingeführt, bis der Wasserstoffpartialdruck 1 × 10^–9 Pa erreichte.
(10) Eine Rechteckimpulsspannung von 14 V mit einer Impulsbreite von 1 ms und einem Impulsintervall von 10 ms wurde an jede der Vorrichtungen mittels der Ansteuerschaltung 52 angelegt. Die Potentialdifferenz zwischen der Vorrichtung und der Metallrückseite, die als eine Anode diente, betrug 1 kV. Beide, Ie und If wurden während der Spannungsanlegung überwacht, die beendet wurde, wenn Ie für jede Vorrichtung 5 μA erreichte.
(11) Die Zufuhr von Wasserstoff wurde beendet und die Elektronenquellentafel 51 wurde mittels der ersten Vakuumpumpeneinheit 53 evakuiert, während die Elektronenquelle mittels einer (nicht dargestellten) Heizvorrichtung beheizt wurde.
(12) Die Atmosphäre in der Elektronenquellentafel wurde mittels des Quadrapol-Massenanalysators 55 überwacht und die Auslaßröhre wurde erwärmt und luftdicht versiegelt, wenn das Innere ausreichend frei von jeglichen verbleibenden organischen Substanzen wurde.

[Vergleichsbeispiel 3]
Schritt-(1) bis (10) von Beispiel 6 wurden für die Probe dieses Beispiels ausgeführt, jedoch wurde kein Wasserstoff in die Tafel bzw. das Feld eingeführt. Danach wurde Schritt-(12) ausgeführt.
[Beispiel 7]
Schritt-(1) bis (5) von Beispiel 6 wurden für die Probe dieses Beispiels ausgeführt. Danach:
(6) Die Probe wurde an eine Ansteuerschaltung und eine erste Vakuumpumpeneinheit auf eine in 20 dargestellte Weise angeschlossen, jedoch wurde keine zweite Vakuumpumpeneinheit verwendet. Das System war derart angeordnet, daß ein gasförmiges organisches Lösungsmittel (Aceton) in das Feld eingeführt werden konnte.
Das Innere der Elektronenquellentafel wurde mittels der Vakuumpumpeneinheit 53 evakuiert, die eine Sorptionspumpe und eine Ionenpumpe umfaßt, bis der Innendruck annähernd 10^–4 Pa betrug.
Aceton und Wasserstoffgas wurden in die Tafel eingeführt, bis sie gleichermaßen einen Partialdruck von 1 × 10^–3 Pa zeigten. Die Partialdrücke wurden durch geeignetes Betätigen einer Massendurchflußsteuereinrichtung 56 und eines Ventils gesteuert, währen die Partialdrücke mittels eines Quadrapol-Massenanalysators 55 überwacht wurden.
(7) Eine Impulsspannung wurde an jede der Vorrichtungen wie im Fall von Beispiel 6 angelegt, wobei die Spannungsanlegung beendet wurde, wenn Ie 5 μA für jede Vorrichtung erreichte.
(8) Die Zufuhr von Aceton und Wasserstoff wurde beendet und das Innere der Elektronenquellentafel wurde evakuiert, während die Tafel erwärmt wurde. Danach wurde die Auslaßröhre erwärmt und luftdicht versiegelt, wenn die Partialdrücke von Wasserstoff und Aceton ausreichend gering wurden, was durch den Quadrapol-Massenanalysator beobachtet wurde.
[Vergleichsbeispiel 4]
Eine Probe wurde wie im Fall von Beispiel 7 hergestellt, obwohl lediglich Aceton verwendet wurde und Wasserstoff nicht verwendet wurde.
Die Elektronenquellentafeln von Beispielen 6 und 7 und Vergleichsbeispielen 3 und 4 wurden hinsichtlich der Elektronenemissionsfunktion getestet. Ie und If jeder Vorrichtung wurden beobachtet, indem eine rechteckförmige Impulsspan nung von 14 V angelegt wurde. Die Potentialdifferenz zwischen der Vorrichtung und der Metallrückseite betrug 1 kV. Nach 100 Stunden Dauerbetrieb der Elektronenemission wurden sowohl Ie als auch If in jeder Vorrichtung erneut beobachtet.
Danach wurde die Haltespannung für jede Vorrichtung hinsichtlich der elektrischen Entladung auf eine wie vorstehend unter Bezugnahme auf Beispiele 1 bis 5 beschriebene Weise getestet.
Die Ergebnisse sind wie folgt:
Ein anderer Satz Vorrichtungen wurde in ähnlicher Weise für Beispiele 6 und 7 und Vergleichsbeispiele 3 und 4 hergestellt und mittels Raman-Spektrometrieanalyse getestet.
[Beispiel 8]
Bei diesem Beispiel wurden vier Elektronen-emittierende Vorrichtungen jeweils mit einer Konfiguration wie in 1A und 1B gezeigt parallel auf einem Substrat hergestellt.
Schritt-a:
Eine gewünschte Struktur aus Fotolack (RD-2000N-41: erhältlich von Hitachi Chemical Co., Ltd.) mit den Konturen eines Paars von Elektroden entsprechenden Öffnungen wurde für jede Vorrichtung auf einem sorgfältig gereinigten Quarzglassubstrat 1 ausgebildet, auf dem ein Ti-Film und ein Ni-Film aufeinanderfolgend in Dicken von 5 nm bzw. 100 nm durch Vakuumabscheidung ausgebildet wurden. Danach wurde der Fotolack mittels eines organischen Lösungsmittels gelöst und die nicht erforderlichen Abschnitte des Ni/Ti-Films wurden abgehoben, um ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 für jede Vorrichtung zu erzeugen. Die Vorrichtungselektroden waren in einem Abstand von L = 3 μm beabstandet und hatten eine Breite von W = 300 μm.
Schritt-b:
Für jede Vorrichtung wurde ein Cr-Film in einer Dicke von 50 nm auf dem ein Paar Elektroden 2, 3 tragenden Substrat 1 mittels Vakuumabscheidung ausgebildet, und dann wurde eine Cr-Maske mit einer der Kontur eines elektrisch leitfähigen Dünnfilms entsprechenden Öffnung aus dem Cr-Film mittels Fotolithographie hergestellt. Die Öffnung hatte eine Weite W' von 100 μm. Danach wurde eine Lösung aus einem Pd-Aminkomplex (cccp4230: erhältlich von Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.) auf den Cr-Film mittels einer Aufschleuderein richtung aufgebracht und bei 300°C 12 Minuten lang in der Atmosphäre gebacken, um einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 zu erzeugen, der als Hauptbestandteil PdO enthält. Der Film hatte eine Filmdicke von 12 nm.
Schritt-c:
Der Cr-Film wurde mittels Naßätzen entfernt und der elektrisch leitfähige Dünnfilm wurde zu einer gewünschten Struktur verarbeitet. Die elektrisch leitfähigen Dünnfilme hatten einen elektrischen Widerstand von RS = 1,4 × 10⁴ Ω/⎕.
Schritt-d:
Dann wurden die Vorrichtungen in die Vakuumkammer eines gemäß 7 dargestellten Meßsystems eingebracht und das Innere der Vakuumkammer 15 wurde mittels einer Vakuumpumpeneinheit 16 (Ionenpumpe) bis zu einem Druck von 2,6 × 10^–6 Pa evakuiert. Danach wurden die Probenvorrichtungen einem Erregungsausbildungsvorgang durch Anlegen einer Impulsspannung zwischen den Vorrichtungselektroden 2, 3 jeder Vorrichtung mittels eine Spannungsquelle 11 unterzogen, wobei die Spannungsquelle dergestalt war, um eine Vorrichtungsspannung Vf an jede Vorrichtung anzulegen. Der Impulssignalverlauf der angelegten Spannung für den Ausbildungsvorgang ist in 5B dargestellt.
Die Impulsspannung hatte eine Impulsbreite von T1 = 1 ms und ein Impulsintervall von T2 = 10 ms und die Spitzenwertspannung bzw. Peakspannung (für den Ausbildungsvorgang) wurde schrittweise mit einem Schritt von 0,1 V erhöht.
Während des Ausbildungsvorgangs wurde eine (nicht dargestellte) zusätzliche Impulsspannung von 0,1 V in Intervalle der Ausbildungsimpulsspannung eingefügt, um den Widerstand des Elektronen-emittierenden Bereichs zu bestimmen, um also den Widerstand konstant zu überwachen, und der elektrische Ausbildungsvorgang wurde beendet, wenn der Widerstand 1 MΩ überschritt. Der Spitzenwert der Impulsspannung (Ausbildungsspannung) betrug 7.0 V für alle Vorrichtungen, wenn der Ausbildungsvorgang beendet wurde.
Schritt-e:
Partialdrücke von 1,3 × 10^–1 Pa und 1,3 × 10^–2 Pa wurden jeweils für Aceton und Wasserstoff durch geeignetes Betätigen eines variablen Durchlaßventils 17 und einer (nicht gezeigten) Massendurchflußsteuereinrichtung erzielt. Der Partialdruck von Aceton wurde durch einen (nicht gezeigten) differentiellen Quadrapol-Massenanlysator der Auslaßbauart bestimmt, und der von Wasserstoff wurde erreicht bzw. bestimmt, indem er als im wesentlichen gleich dem Gesamtinnendruck der Vakuumkammer 15 angesehen wurde.
Schritt-f:
Eine monopolare rechteckförmige Impulsspannung gemäß der Darstellung in 6B wurde an jede Vorrichtung angelegt. Die Impulssignalhöhe, die Impulsbreite und das Impulsintervall betrugen jeweils Vph = 18 V, T = 1 ms und T2 = 10 ms. Dieser Schritt wurde beendet, nachdem die Impulsspannung 120 Minuten lang kontinuierlich angelegt worden war. Der Vorrichtungsstrom war gleich If = 1,7 mA am Ende des Schritts.
[Beispiel 9]
Schritt-a bis d von Beispiel 8 wurden ebenfalls für dieses Beispiel ausgeführt und dann, in Schritt-e, wurde der Partialdruck von Aceton auf 13 Pa gesetzt und, in Schritt-f, hatte die angelegte monopolare rechteckförmige Impulsspannung eine Signalhöhe von 20 V. In anderer Hinsicht wurde die Anlegung einer Impulsspannung auf eine Weise ähnlich der von Beispiel 8 ausgeführt. Da der Vorrichtungsstrom ei nen schnellen Anstieg im Vergleich mit Beispiel 1 zeigte wurde die Anlegung einer Impulsspannung 90 Minuten nach dem Betriebsbeginn beendet. Die Signalhöhe der Impulsspannung wurde auf 18 V am Ende der Impulsspannungsanlegung verändert und der Vorrichtungsstrom war gleich If = 1,9 mA am Ende dieses Schritts.
[Beispiel 10]
Schritt-a bis c von Beispiel 8 wurden ebenfalls für dieses Beispiel ausgeführt und dann, in Schritt-f, eine bipolare rechteckförmige Impulsspannung mit einer Signalhöhe, einer Impulsbreite und einem Impulsintervall von jeweils gleich 18 V, 1 ms und 10 ms an jede Vorrichtung angelegt. In anderer Hinsicht wurde die Probe auf eine Weise verarbeitet, die exakt gleich der von Beispiel 1 war. Der Vorrichtungsstrom betrug gleich If = 2,1 mA am Ende der Impulsspannungsanlegung.
Danach wurde ein Stabilisierungsvorgang ähnlich dem gemäß Schritt-j von Beispiel 2 ausgeführt.
[Beispiel 11]
Schritt-a bis d von Beispiel 8 wurden ebenfalls für dieses Beispiel ausgeführt, und dann wurden die Vorrichtungen aus der Vakuumkammer entnommen und folgenden Vorgängen unterzogen.
Schritt-d':
Die in Schritt-b von Beispiel 8 verwendete Pd-Aminkomplexlösung wurde mit Butylacetat auf ein Drittel der ursprünglichen Konzentration verdünnt. Die verdünnte Lösung wurde mittels einer Aufschleudereinrichtung auf die Probe aufgebracht und die Probe wurde bei 300°C in der Atmosphäre 10 Minuten lang gebacken. Danach verblieb sie 60 Minuten lang in einer Gasströmung aus einem Gemisch aus N₂(98%)-H₂(2%).
Wenn die Vorrichtungen durch ein Abtastelektronenmikroskop (SEM) beobachtet wurden, wurde herausgefunden, daß feine Partikel aus Pd mit einem Durchmesser zwischen 3 und 7 nm innerhalb des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs jeder Vorrichtung dispergiert waren.
Danach wurde die Probe einem Vorgang unterzogen, der ähnlich jenem von Schritt-e und folgenden von Beispiel 6 war. Da der Vorrichtungsstrom If einen frühen Anstieg bei Schritt-f zeigte, wurde die Spannungsanlegung 60 Minuten nach dem Start ausgesetzt. Der Vorrichtungsstrom war gleich If = 1,9 mA am Ende der Impulsspannungsanlegung.
[Vergleichsbeispiel 5]
Schritte-a bis d von Beispiel 8 wurden ebenfalls für dieses Beispiel ausgeführt, jedoch wurde Schritt-e zum Einfügen von Wasserstoff ausgelassen. Der Partialdruck von Aceton und Wasserstoff und die angelegte Impulsspannung sowie weitere Bedingungen waren ähnlich denen von Beispiel 8. Da der Vorrichtungsstrom If verglichen zu dem von Beispiel 6 einen frühen Anstieg zeigte, wurde die Spannungsanlegung 30 Minuten nach dem Start ausgesetzt und das Innere der Vakuumkammer wurde evakuiert. Der Vorrichtungsstrom war gleich If = 1,5 mA am Ende der Impulsspannungsanlegung. Danach wurde die Probe einem Stabilisierungsvorgang unterzogen.
Die Proben der Beispiele 8 bis 10 und Vergleichsbeispiel 5 wurden hinsichtlich der Elektronenemissionsfunktion getestet. Für den Test wurde jede Elektronenquellentafel mittels einer Ionenpumpe nach dem Ende des Aktivierungsvorgangs evakuiert, während die Vorrichtungen bei 80°C erwärmt wurden, bis ein Unterdruck von 2,7 × 10^–6 erreicht war, bei dem das Beheizen der Vorrichtungen gestoppt wurde. Der Test wurde gestartet, wenn die Vorrichtungen auf Raumtemperatur abgekühlt waren. Eine monopolare Rechteckimpulsspannung mit einer Signalhöhe, einer Impulsbreite und einem Impulsintervall von jeweils Vph = 18 V, T1 = 100 μs und T2 = 10 μs wurde an die Vorrichtungen angelegt, um letztere anzusteuern. Die Vorrichtungen waren von der Anode durch H = 4 mm getrennt und die Potentialdifferenz wurde auf 1 kV gehalten. Jede Probe wurde ebenfalls hinsichtlich der Haltespannung für die elektrische Entladung getestet.
Der Vorrichtungsstrom Ie und der Emissionsstrom If unmittelbar nach sowie 100 Stunden nach dem Start des Tests sind für jede Probe in der nachstehenden Tabelle zusammen mit ihrer Haltespannung für die elektrische Entladung dargestellt.
Eine nicht für den vorstehenden Funktionstest verwendete Vorrichtung wurde von jedem der Beispiele 8 bis 11 und Vergleichsbeispiel 5 ausgewählt und hinsichtlich der Kristallinität des Kohlenstofffilms mittels eines Raman-Spektrometers untersucht. Ein Ar-Laser mit einer Wellenlänge von 514,5 nm wurde als Lichtquelle verwendet, die einen Lichtfleck mit einem Durchmesser von etwa 1 μm auf der Oberfläche der Probe erzeugte.
Wenn der Lichtfleck auf oder um den Elektronen-emittierenden Bereich plaziert wurde, wurde ein Spektrum mit Peaks in der Nähe von 1,335 cm^–1 (P1) und 1,580 cm^–1 (P2) erhalten, um die Existenz eines Kohlenstofffilms nachzuweisen. In den nachfolgenden Diskussionen wird die Haltwertsbreite von P1 verwendet, um die Kristallinität von Graphit für Beispiele und Vergleichsbeispiele anzugeben, da die Lichtintensität an P1 ausreichend stark war.
Der Ar-Laserlichtfleck des vorstehenden Raman-Spektrometers wurde dazu gebracht, den Spalt jeder Vorrichtung von einem Ende zum anderen abzutasten und die erhaltenen Werte der Halbwertsbreite von P1 wurden als Funktion der Position des Lichtflecks aufgetragen. 21 ist eine Kennlinie bzw. ein Funktionsverlauf, der schematisch die Meßergebnisse darstellt. Während es für die Vorrichtung angenommen war, daß sie einen Spalt in der Mitte (Position 0 auf der Skala) der zwei Vorrichtungselektroden für die Kennlinie in 21 hat, braucht dies nicht notwendigerweise immer so zu sein. Die positive Seite der Skala stellt die Anode der Vorrichtung dar. Für jede Vorrichtung mit Ausnahme der für Beispiel 10, für die eine bipolare Impulsspannung für den Aktivierungsvorgang verwendet wurde, war der an der Kathodenseite ausgebildete Kohlenstofffilm sehr klein und zeigte einen geringen Signalpegel, wohingegen ein ausreichender Signalpegel an der Anodenseite erfaßt wurde. Bei Vergleichsbeispiel 5 war die Halbwertsbreite so klein wie 150 cm^–1 in der Nähe des Spalts, stieg jedoch allmählich an, wenn der Lichtfleck sich der Anode annäherte, bis sie am Ende 250 cm^–1 betrug.
Die Halbwertsbreite änderte sich nicht wesentlich in jedem der Beispiele 8 bis 11. Sie wurde in Beispiel 8, 9, 10 und 11 jeweils als zwischen 100 und 130 cm^–1, 85 und 120 cm^–1, 90 und 130 cm^–1, sowie 100 und 130 cm^–1 ermittelt.
Da die Kristallinität des Kohlenstofffilms in und nahe der Mitte davon bei jedem der obigen Beispiele als hoch ermittelt wurde, wurde der Kohlenstofffilm weiter mittels eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) untersucht.
Bei Vergleichsbeispiel 5 wurde ein Kohlenstofffilm hauptsächlich an der Anodenseite des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs und lediglich geringfügig an der Kathodenseite gefunden. Eine Gitterstruktur wurde in dem Kohlenstofffilm innerhalb des Spalts beobachtet, um zu beweisen, daß der Kohlenstofffilm im wesentlichen aus Graphitkristallen mit einer Partikelgröße von 2 bis 3 nm oder darüber bestand. Andererseits war keine klare Gitterstruktur an Stellen beobachtbar, die von dem Spalt entfernt waren, das heißt, daß der Kohlenstofffilm dort im wesentlichen aus amporphem Kohlenstoff bestand.
22 stellt schematisch das Gitterbild des in dem Kohlenstofffilm der Vorrichtung des Vergleichsbeispiels 5 beobachteten Graphits dar. Der Kohlenstofffilm bestand aus Graphit innerhalb des Spalts und amorphem Kohlenstoff außerhalb des Spalts. Bei jedem der Beispiele 8 bis 11 wurde ein Gitterbild überall in dem Kohlenstofffilm der Vorrichtung beobachtet, wie schematisch in 23 dargestellt, um zu beweisen, daß der gesamte Kohlenstofffilm aus Graphit bestand. Die Größe von vielen der Kristallpartikel war nicht kleiner als 10 nm. 24A zeigt schematisch jede der Vorrichtungen der Beispiele 8 und 9, wohingegen 24B schematisch die Vorrichtung aus Beispiel 10 darstellt.
Wenn das Innere des Spalts der Vorrichtung von Beispiel 11 beobachtet wurde, unter besonderer Berücksichtigung auf einen feinen Partikel aus Pd und dessen Umgebung, stellte sich heraus, daß die feinen Partikel von einem Gitterbild wie im Fall von Beispiel 4 umgeben waren. Anders ausgedrückt wurde ein kapselartiges Kristallgitter, das einen feinen Partikel aus Pd umgab, innerhalb des Spalts des E lektronen-emittierenden Bereichs der Vorrichtung von Beispiel 11 beobachtet. 25 zeigt das beobachtete Gitterbild schematisch.
Die vorstehende beschriebene Tatsache, daß If während des Aktivierungsvorgangs schnell anstieg, kann dem Wachstum von Kohlenstoffkristallen um feine Partikel aus Pd innerhalb des Spalts zuzuordnen sein, wobei jeder Pd Partikel die Rolle eines Keims zum Kristallwachstum spielt.
Eine Vertiefung wurde auf dem Substrat von jeder der Vorrichtungen der obigen Beispiele und des Vergleichsbeispiels zwischen dem Kohlenstofffilm und dem kathodenseitigen elektrisch leitfähigen Dünnfilm oder zwischen den Kohlenstofffilmen an den anoden- und kathodenseitigen Enden beobachtet.
[Beispiel 12]
Jede der bei diesem Beispiel hergestellten Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen war den in 1A und 1B schematisch dargestellten ähnlich.
Schritt-a:
Eine gewünschte Struktur aus Fotolack (RD-2000N-41: erhältlich von Hitachi Chemical Co., Ltd.) mit den Umrissen eines Paars von Elektroden entsprechenden Öffnungen wurde für jede Vorrichtung auf einem sorgfältig gereinigtem Quarzglassubstrat 1 ausgebildet, auf dem ein Ni-Film in einer Dicke von 100 nm mittels Vakuumabscheidung ausgebildet wurde. Danach wurde der Fotolack mittels eines organischen Lösungsmittels gelöst und die nicht erforderlichen Abschnitte des Ni-Films wurden abgehoben, um ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 für jede Vorrichtung zu erzeugen. Die Vorrichtungselektroden waren durch einen Abstand von L = 2 μm beabstandet und hatten eine Breite von W = 500 μm.
Schritt-b:
Ein Cr-Film wurde in einer Dicke von 50 nm auf das darauf ein Paar Elektroden 2, 3 tragende Substrat 1 mittels Vakuumabscheidung ausgebildet, und dann wurde eine Cr-Maske mit einer der Kontur eines elektrisch leitfähigen Dünnfilms entsprechenden Öffnung aus dem Cr-Film mittels Fotolithographie hergestellt. Die Öffnung hatte eine Weite W' von 300 μm. Danach wurde eine Lösung aus einem Pd-Aminkomplex (cccp4230: erhältlich von Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.) mittels einer Aufschleudereinrichtung auf den Cr-Film aufgebracht und bei 300°C 10 Minuten lang in der Atmosphäre gebacken, um einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm mit PdO als Hauptbestandteil zu erzeugen. Der durchschnittliche Durchmesser der feinen Partikel des Films und die Filmdicke betrugen etwa 7 nm.
Schritt-c:
Der Cr-Film wurde mittels Naßätzen entfernt und der elektrisch leitfähige Dünnfilm 4 wurde verarbeitet, um eine gewünschte Struktur zu haben. Die elektrisch leitfähigen Dünnfilme wiesen einen elektrischen Widerstand von RS = 5,0 × 10⁴ Ω/⎕ auf.
Schritt-d:
Dann wurde das Substrat in die Vakuumkammer eines gemäß 7 dargestellten Meßsystems eingebracht und das Innere der Vakuumkammer 15 wurde mittels einer Vakuumpumpeneinheit 16 (Ionenpumpe) auf einen Druck von 2,7 × 10^–6 Pa evakuiert. Danach wurden die Probenvorrichtungen einem Erregungsausbildungsvorgang durch Anlegen einer Impulsspannung zwischen die Vorrichtungselektroden 2, 3 jeder Vorrichtung mittels einer Spannungsquelle 11 unterzogen, welche dergestalt war, um eine Vorrichtungsspannung Vf an jede Vorrichtung anzule gen. Der Impulssignalverlauf der angelegten Spannung für den Erregungsausbildungsvorgang ist in 5B dargestellt.
Die Dreieckimpulsspannung hatte eine Impulsbreite von T1 = 1 ms und ein Impulsintervall von T2 = 10 ms, wobei die Peakspannung (für den Ausbildungsvorgang) schrittweise mit einem Schritt 0,1 V erhöht wurde. Währen des Ausbildungsvorgangs wurde eine (nicht gezeigte) zusätzliche Impulsspannung von 0,1 V in Intervalle der Ausbildungsimpulsspannung eingefügt, um den Widerstand des Elektronen-emittierenden Bereichs zu bestimmen, wodurch der Widerstand kontinuierlich überwacht wurde, und der elektrische Ausbildungsvorgang wurde beendet, wenn der Widerstand 1 MΩ überschritt. Der Peakwert der Impulsspannung (Ausbildungsspannung) betrug 5,0 V für die Vorrichtung, wenn der Ausbildungsvorgang beendet wurde.
Schritt-e:
Aceton wurde in die Vakuumkammer 15 eingeführt, bis der Partialdruck von 1,3 × 10^–3 Pa für Aceton erreicht war. Eine rechteckförmige Impulsspannung gemäß der Darstellung in 6B wurde an die Vorrichtungen angelegt, um einen ersten Aktivierungsvorgang 10 Minuten lang auszuführen. Die Impulssignalhöhe betrug 8 V mit T1 = 100 μs und T2 = 10 ms.
Schritt-f:
Der Aceton-Partialdruck wurde auf 1,3 × 10^–1 Pa eingestellt und Wasserstoff wurde ebenso eingeführt, bis ein Partialdruck vo 13 Pa erreicht wurde. Die Impulssignalhöhe wurde schrittweise von 8 V auf 14 V mit einer Rate von 3,3 mV/s erhöht, um einen zweiten Aktivierungsvorgang auszuführen. Die gesamte Verarbeitungszeit betrug 120 Minuten. Danach wurde die Zufuhr von Aceton und Wasserstoff gestoppt und das Innere der Vakuumkammer wurde evakuiert bis der Innendruck unter 1,3 × 10^–6 Pa fiel.
[Vergleichsbeispiel 6]
Eine Probe ähnliche der gemäß Beispiel 12 wurde hergestellt wie die gemäß Beispiel 12, mit der Ausnahme, daß Wasserstoff nicht bei Schritt-f eingeführt wurde.
[Beispiel 13]
Eine Probe ähnliche der gemäß Beispiel 12 wurde Schritt-a bis d von Beispiel 12 unterzogen. Danach:
Schritt-f:
Metan und Wasserstoff wurden in die Vakuumkammer eingeführt, um einen Partialdruck von 6,7 Pa für Metan und einen von 130 Pa für Wasserstoff zu erhalten. Dann wurde 120 Minuten lang ein zweiter Aktivierungsvorgang ausgeführt, indem eine Impulsspannung wie im Fall von Beispiel 12 angelegt wurde. Danach wurde das Metan und Aceton aus der Vakuumkammer entfernt, bis der Innendruck der Vakuumkammer unter 1,3 × 10^–6 Pa fiel.
[Beispiel 14]
Eine Probe wurde wie im Fall von Beispiel 13 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Vorrichtungen auf 200°C für den zweiten Aktivierungsvorgang in Schritt-f erhitzt wurden.
Zwei Vorrichtungen wurden für jedes von Beispielen 12 bis 14 und Vergleichsbeispiel 6 hergestellt. Von den Vorrichtungen jedes Beispiels wurde eine zur Beurteilung der Elektronenemissionsfunktion durch Anlegen einer Impulsspannung gleich der für den Aktivierungsvorgang verwendeten verwendet. Die Vorrichtung und die Anode waren voneinander durch 4 mm beabstandet und die Potentialdifferenz zwischen ihnen betrug 1 kV. Der Vorrichtungsstrom und der Emissionsstrom jeder Vorrichtung wurde unmittelbar nach dem Start, eine Stunde nach dem Start und 100 Stunden nach dem Start gemessen. Die Haltespannung für die elektrische Entladung wurde ebenfalls gemessen.
Die Vorrichtung von jedem der obigen Beispiele, die nicht für die Beurteilung der Elektronenemissionsfunktion verwendet wurde, wurde mittels eines TEM hinsichtlich eines Gitterbildes beobachtet. Während eine Kristallstruktur ähnlich der gemäß 23 für jedes der Beispiele 12 bis 14 beobachtet wurde, wurde ein Gitterbild nur teilweise für den Kohlenstofffilm außerhalb des Spalts der Vorrichtung für Vergleichsbeispiel 6 gefunden. Voraussichtlich bestand der Kohlenstofffilm hauptsächlich aus amorphem Kohlenstoff außerhalb des Spalts.
Die Vorrichtungen wurden einer Raman-Spektrometrieanalyse unterzogen. Die Halbwertsbreiten von P1 der Vorrichtungen sind nachstehend aufgeführt.
[Beispiel 15]
Bei diesem Beispiel wurden vier Elektronen-emittierende Vorrichtungen jeweils mit einer Konfiguration wie in 1A und 1B dargestellt auf einem Substrat hergestellt.
Schritt-a:
Eine gewünschte Struktur aus Fotolack (RD-2000N-41: erhältlich von Hitachi Chemical Co. Ltd.) mit den Konturen eines Paares von Elektroden entsprechenden Öffnungen wurde für jede Vorrichtung auf einem sorgfältig gereinigten Quarzglassubstrat 1 ausgebildet, und darauf wurde ein Ti-Film und ein Ni-Film sequentiell in jeweiligen Dicken von 5 nm und 100 nm mittel Vakuumabscheidung ausgebildet. Danach wurde der Fotolack mittels eines organischen Lösungsmittels aufgelöst und die unnötigen Abschnitte des Ni/Ti-Films wurden abgehoben um ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 für jede Vorrichtung zu erzeugen. Die Vorrichtungselektroden waren in einem Abstand von L = 10 μm beabstandet und hatten eine Breite von W = 300 μm.
Schritt-b:
Für jede Vorrichtung wurde ein elektrisch leitfähiger Dünnfilm 4 zu einer gegebenen Struktur verarbeitet, um einen Elektronen-emittierenden Bereich 5 auszubilden. Genauer gesagt wurde ein Cr-Film in einer Dicke von 50 nm auf dem ein Paar Elektroden 2, 3 darauf tragenden Substrat 1 mittels Vakuumabscheidung beziehungsweise Abscheidung im Vakuum ausgebildet und dann wurde eine Cr-Maske mit einer dem Umriß der Vorrichtungselektroden 2 und 3 entsprechenden Öff nung und dem diese trennenden Raum aus dem Cr-Film hergestellt. Die Öffnung hatte eine Weite W' von 100 μm. Danach wurde eine Lösung aus einem Pd-Aminkomplex (cccp4230: erhältlich von Okuno Pharmaceutical Co. Ltd.) mittels einer Aufschleudereinrichtung auf den Cr-Film aufgebracht und bei 300°C 10 Minuten lang in der Atmosphäre gebacken, um einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 mit PdO als einem Hauptbestandteil zu erzeugen. Der Film hatte eine Filmdicke von 12 nm.
Schritt-c:
Der Cr-Film wurde mittels Naßätzen entfernt und der elektrisch leitfähige Dünnfilm 4 wurde zu einer gewünschten Struktur verarbeitet. Die elektrisch leitfähigen Dünnfilme hatten einen elektrischen Widerstand von RS = 1,4 × 10⁴ Ω/⎕.
Schritt-d:
Dann wurden die Vorrichtungen in die Vakuumkammer eines gemäß 7 dargestellten Meßsystems eingebracht und das Innere der Vakuumkammer 15 wurde mittels einer Vakuumpumpeneinheit 16 (einer Sorptionspumpe und einer Ionenpumpe) auf einen Druck von 2.7 × 10^–6 Pa evakuiert. Danach wurden die Probenvorrichtungen einem Erregungsausbildungsvorgang durch Anlegen einer Impulsspannung zwischen die Vorrichtungselektroden 2, 3 jeder Vorrichtung mittels einer Spannungsquelle 11 unterzogen, die dergestalt war, um eine Vorrichtungsspannung Vf an jede Vorrichtung anzulegen. Der Impulssignalverlauf der angelegten Spannung für den Ausbildungsvorgang ist in 5B dargestellt.
Die Dreieckimpulsspannung hatte eine Impulsbreite T1 = 1 ms und ein Impulsintervall von T2 = 10 ms, wobei die Spitzenwertspannung bzw. Peakspannung (für den Ausbildungsvorgang) schrittweise mit einem Schritt von 0,1 V erhöht wurde. Während des Ausbildungsvorgangs wurde eine (nicht dargestell te) zusätzliche Impulsspannung von 0,1 V in Intervalle der Ausbildungsimpulsspannung eingefügt, um den Widerstand des Elektronen-emittierenden Bereichs zu bestimmen, also den Widerstand kontinuierlich zu überwachen, und der elektrische Ausbildungsvorgang wurde beendet, wenn der Widerstand 1 MΩ überschritt. Der Peakwert der Impulsspannung (Ausbildungsspannung) betrug 7.0 V für alle Vorrichtungen, wenn der Ausbildungsvorgang beendet war.
Schritt-e:
Aceton wurde in die Vakuumkammer eingeführt und ein Partialdruck von 1,3 × 10^–1 Pa wurde für Aceton erreicht, indem ein variables Auslaßventil 17 geeignet betrieben wurde.
Schritt-f:
Eine monopolare Rechteckimpulsspannung gemäß der Darstellung in 6B wurde an jede Vorrichtung angelegt. Die Impulssignalhöhe, die Impulsbreite und das Impulsintervall betrugen jeweils Vph = 18 V, T1 = 100 μs und T2 = 10 ms. Dieser Schritt wurde beendet, nachdem kontinuierlich die Impulsspannung 10 Minuten lang angelegt wurde. Die Zufuhr von Aceton wurde beendet und das Innere der Vakuumkammer wurde evakuiert.
Schritt-g:
Dann wurden Partialdrücke von 130 Pa und 1,3 Pa jeweils für Metan und Wasserstoff in der Vakuumkammer 15 erzielt, indem die (nicht gezeigte) Massendurchflußsteuerungseinrichtung betrieben wurde. Die gleiche Impulsspannung wurde erneut an die Vorrichtungen 120 Minuten lang angelegt, und dann wurde die Spannungsanlegung beendet. Der Vorrichtungsstrom war gleich If = 2,5 mA am Ende des Schritts. Danach wurde das Innere der Vakuumkammer auf einen Druck unterhalb 2,7 × 10^–6 Pa evakuiert.
Danach wurden die Vorrichtungen einem Aktivierungsvorgang wie im Fall von Schritt-j von Beispiel 2 unterzogen.
[Beispiel 16]
Schritte-a bis f von Beispiel 15 wurden ebenfalls für dieses Beispiel ausgeführt und dann, in Schritt g, eine Impulsspannung wie die bei Schritt-g des obigen Beispiels angelegt, während die Vorrichtungen auf 200°C erwärmt wurden. Der Vorrichtungsstrom war gleich If = 2,2 mA am Ende des Schritts.
Danach wurden die Vorrichtungen einem Aktivierungsvorgang unterzogen.
Eine Impulsspannung gleich der für den Aktivierungsvorgang verwendeten wurde an ausgewählte Vorrichtungen der Beispiele 15 und 16 zur Bestimmung von Ie und If angelegt. Die Vorrichtung und die Anode waren voneinander durch 4 mm beabstandet und die Potentialdifferenz zwischen diesen betrug 1 kV. Der Vorrichtungsstrom und der Emissionsstrom jeder Vorrichtung wurden unmittelbar nach dem Beginn und 100 Stunden nach dem Beginn gemessen. Die Haltespannung für elektrische Ladung wurden ebenfalls gemessen.
Die Vorrichtungen jedes der obigen Beispiele, die nicht zur Beurteilung der Elektronenemissionsfunktion herangezogen wurden, wurden mittels eines TEM hinsichtlich eines Gitter bildes untersucht. Eine Kristallstruktur ähnlich der gemäß 23 wurde für jedes der Beispiele 15 und 16 beobachtet.
Die Vorrichtungen wurden mittels eines Laser-Raman-Spektrometers untersucht, um einige Peaks bzw. Spitzenwerte für jede Vorrichtung wie im Fall der vorhergehenden Beispiele zu finden. Die Halbwertsbreiten der Peaks P1 der Vorrichtungen sind nachstehend aufgeführt. Ein höherer Grad an Kristallinität wurde in Bereichen beobachtet, die nahe des Spalts jeder Vorrichtung waren.
[Beispiel 17]
Bei diesem Beispiel wurden vier Elektronen-emittierende Vorrichtungen jeweils mit einer wie in 1A und 1B gezeigten Konfiguration auf einem Substrat ausgebildet.
Schritt-a:
Eine gewünschte Struktur aus Fotolack (RD-2000N-41: erhältlich von Hitachi Chemical Co. Ltd.) mit den Umrissen eines Paars von Elektroden entsprechenden Öffnungen wurde für jede Vorrichtung auf einem sorgsam gereinigten Kalknatronglassubstrat 1 in einer Dicke von 0,5 μm ausgebildet, auf dem ein Ti-Film und ein Ni-Film darauffolgend in jeweiligen Dicken von 5 nm und 100 nm mittels Vakuumabscheidung ausgebildet wurden. Danach wurde der Fotolack mittels eines organischen Lösungsmittels gelöst und die unnötigen Abschnitte des Ni/Ti-Films wurden abgehoben, um ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 für jede Vorrichtung zu erzeugen. Die Vorrichtungselektroden waren durch einen Abstand L = 3 μm getrennt und hatten eine Breite von W = 300 μm.
Schritt-b:
Für jede Vorrichtung wurde ein elektrisch leitfähiger Dünnfilm 4 verarbeitet, um eine gegebene Struktur zu haben, um einen Elektronen-emittierenden Bereich 5 zu bilden. Genauer gesagt wurde ein Cr-Film in einer Dicke von 50 nm auf dem ein Paar Elektroden 2, 3 tragenden Substrat 1 mittels Vakuumabscheidung ausgebildet, und dann wurde eine Cr-Maske mit einer dem Umriß der Vorrichtungselektroden 2 und 3 und dem sie trennenden Zwischenraum entsprechenden Öffnung aus dem Cr-Film präpariert. Die Öffnung hatte eine Weite W' von 100 μm. Danach wurde eine Lösung aus einem Pd-Aminkomplex (cccp4230: erhältlich von Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.) mittels einer Aufschleudereinrichtung auf den Cr-Film aufgebracht und bei 300°C 10 Minuten lang in der Atmosphäre gebacken, um einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 zu erzeugen, der PdO als Hauptbestandteil enthält. Der Film hatte eine Filmdicke von 10 nm.
Schritt-c:
Der Cr-Film wurde mittels Naßätzen entfernt und der elektrisch leitfähige Dünnfilm wurde verarbeitet, um eine gewünschte Struktur zu erhalten. Die elektrisch leitfähigen Dünnfilme hatte einen elektrischen Widerstand von RS = 2,0 × 10⁴ Ω/⎕.
Schritt-d:
Dann wurden die Vorrichtungen in die Vakuumkammer eines gemäß 7 dargestellten Meßsystems eingebracht und das Innere der Vakuumkammer 15 wurde mittels einer Vakuumpumpeneinheit 16 (einer Sorptionspumpe und einer Ionenpumpe) auf einen Druck von 2,7 × 10^–6 Pa evakuiert. Danach wurden die Probenvorrichtungen einem Erregungsausbildungsvorgang durch Anlegen einer Impulsspannung zwischen die Vorrichtungs elektroden 2, 3 jeder Vorrichtung mittels einer Spannungsquelle 11 unterzogen, die zum Anlegen einer Vorrichtungsspannung Vf an jede Vorrichtung entworfen war. Der Impulssignalverlauf der angelegten Spannung für den Ausbildungsvorgang ist in 5B gezeigt.
Die Dreiecksimpulsspannung hatte eine Impulsbreite von T1 = 1 ms und ein Impulsintervall von T2 = 10 ms und die Peakspannung (für den Ausbildungsvorgang) wurde schrittweise mit einem Schritt von 0,1 V erhöht. Während des Ausbildungsvorgangs wurde eine (nicht gezeigte) zusätzliche Impulsspannung von 0,1 V in Intervalle der Ausbildungsimpulsspannung eingefügt, um den Widerstand des Elektronen-emittierenden Bereichs zu bestimmen, um den Widerstand kontinuierlich zu überwachen, und der elektrische Ausbildungsvorgang wurde beendet, wenn der Widerstand 1 MΩ überschritt. Die Peakspannung der Impulsspannung (Ausbildungsspannung) betrug 5,0 bis 5,1 V für alle Vorrichtungen, wenn der Ausbildungsvorgang beendet war.
Schritt-e:
Die Vorrichtungen wurden mittels einer (nicht gezeigten) Heizvorrichtung auf 400°C erwärmt und das Innere der Vakuumkammer wurde auf 1,3 × 10^–4 Pa evakuiert. Danach wurden wechselweise Metan und Wasserstoff in die Vakuumkammer eingeführt, während konstant eine Impulsspannung an die Vorrichtungen für einen Aktivierungsvorgang angelegt wurde. Die Partialdrücke von Metan und Wasserstoff waren gleich und betrugen 1,3 Pa. Metan und Wasserstoff wurden mit einer Zykluszeit von 20 Sekunden eingeführt. Ein Graphitfilm war in eine Dicke von 50 nm nach 30 Minuten des Aktivierungsvorgangs ausgebildet.
[Beispiel 18]
Bei diesem Beispiel wurden vier Elektronen-emittierende Vorrichtung mit jeweils einer Konfiguration gemäß der Darstellung in 1A und 1B auf einem Substrat erzeugt.
Schritt-a:
Eine gewünschte Struktur aus Fotolack (RD-2000N-41: erhältlich von Hitachi Chemical Co. Ltd.) mit den Konturen eines Paars von Elektroden entsprechenden Öffnungen wurde für jede Vorrichtung auf einem sorgsam gereinigten Kalknatronglassubstrat 1 in einer Dicke von 0,5 μm ausgebildet, auf dem ein Ti-Film und ein Ni-Film aufeinanderfolgend in jeweiligen Dicken von 5 nm und 100 nm mittels Vakuumabscheidung ausgebildet wurden. Danach wurde der Fotolack mittels eines organischen Lösungsmittels gelöst und die unnötigen Abschnitte des Ni/Ti-Films wurden abgehoben, um ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 für jede Vorrichtung zu erzeugen. Die Vorrichtungselektroden waren in einem Abstand von L = 3 μm getrennt und hatten eine Breite von W = 300 μm.
Schritt-b:
Für jede Vorrichtung wurde ein elektrisch leitfähiger Dünnfilm 4 verarbeitet, um eine gegebene Struktur aufzuweisen, um einen Elektronen-emittierenden Bereich 5 auszubilden. Genauer gesagt wurde ein Cr-Film in einer Dicke von 50 nm auf dem ein Paar Elektroden von 2, 3 tragenden Substrat 1 mittels Vakuumabscheidung ausgebildet, und dann eine Cr-Maske mit einer dem Umriß der Vorrichtungselektroden 2 und 3 und dem diese trennenden Zwischenraum entsprechenden Öffnung wurde aus dem Cr-Film hergestellt. Die Öffnung hatte eine Weite W' von 100 μm. Danach wurde eine Lösung aus einem Pd-Aminkomplex (cccp4230: erhältlich von Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.) mittels einer Aufschleudereinrichtung auf den Cr-Film aufgebracht und bei 300°C 10 Minuten lang in der Atmosphäre gebacken, um einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 zu erzeugen, der PdO als Hauptbestandteil enthält. Der Film hatte eine Filmdicke von 10 nm.
Schritt-c:
Der Cr-Film wurde mittels Naßätzen entfernt und der elektrisch leitfähige Dünnfilm wurde verarbeitet, um eine gewünschte Struktur anzunehmen. Die elektrisch leitfähigen Dünnfilme zeigten einen elektrischen Widerstand von RS = 2,0 × 10⁴ Ω/⎕.
Schritt-d:
Dann wurden die Vorrichtungen in die Vakuumkammer eines in 7 dargestellten Meßsystems eingebracht und das Innere der Vakuumkammer 15 wurde mittels einer Vakuumpumpeneinheit 16 (einer Sorptionspumpe und einer Ionenpumpe) auf einen Druck von 2,7 × 10^–6 Pa evakuiert. Danach wurden die Probenvorrichtungen einem Erregungsausbildungsvorgang durch Anlegen einer Impulsspannung zwischen den Vorrichtungselektroden 2, 3 jeder Vorrichtung mittels einer Spannungsquelle 11 unterzogen, welche zum Anlegen einer Vorrichtungsspannung Vf an jede Vorrichtung entworfen war. Der Impulssignalverlauf der angelegten Spannung für den Ausbildungsvorgang ist in 5B dargestellt.
Die Dreieckimpulsspannung hatte eine Impulsbreite von T1 = 1 ms und ein Impulsintervall von T2 = 10 ms und eine Spitzenspannung bzw. Peakspannung (für den Ausbildungsvorgang) wurde schrittweise mit einem Schritt von 0,1 V erhöht. Während des Ausbildungsvorgangs wurde eine (nicht gezeigte) zusätzliche Impulsspannung von 0,1 V in Intervalle der Ausbildungsimpulsspannung eingefügt, um den Widerstand des Elektronen-emittierenden Bereichs zu bestimmen, wobei der Widerstand ständig überwacht wurde, und der elektrische Ausbildungsvorgang wurde beendet, wenn der Widerstand 1 MΩ überschritt. Der Spitzenwert der Impulsspannung (Ausbil dungsspannung) betrug 5,0 bis 5,3 V für alle Vorrichtungen, wenn der Ausbildungsvorgang beendet war.
Schritt-e:
Das Innere der Vakuumkammer wurde auf 1,3 × 10^–4 Pa evakuiert. Danach wurden wechselweise Metan und Wasserstoff in die Vakuumkammer eingeführt, wobei eine Impulsspannung konstant an die Vorrichtungen für einen Aktivierungsvorgang angelegt wurde. Die Partialdrücke von Metan und Wasserstoff betrugen jeweils 0,13 Pa und 13 Pa. Metan und Wasserstoff wurden mit einer Zykluszeit von 20 Sekunden eingeführt. Ein Graphitfilm bildete sich in einer Dicke von 30 nm nach 13 Minuten des Aktivierungsvorgangs.
[Beispiel 19]
Schritte-a bis d von Beispiel 18 wurden gleichfalls für dieses Beispiel ausgeführt danach,
Schritt-e:
Das Innere der Vakuumkammer wurde auf 1,3 × 10^–4 Pa evakuiert. Danach wurde Wasserstoff in die Vakuumkammer eingeführt, während eine Impulsspannung konstant an die Vorrichtungen für einen Aktivierungsvorgang angelegt wurde. Wasserstoff existierte in der Atmosphäre des Inneren der Vakuumkammer während dieses Schritts. Die Partialdrücke von Wasserstoff wurden auf 13 Pa gehalten. Zur gleichen Zeit wurde intermittierend Ethylen in die Vakuumkammer eingeführt, bis dessen Partialdruck 0,13 Pa erreichte. Ethylen wurde mit einer Zykluszeit von 20 Sekunden eingeführt. Ein Graphitfilm bildete sich in einer Dicke von 50 nm nach 30 Minuten des Aktivierungsvorgangs.
Der Innendruck der Vakuumkammer wurde auf 1,3 × 10^–4 Pa reduziert und If und If von jeder Vorrichtung der Beispiele 17 bis 19 wurden gemessen, während eine Rechteckimpulsspannung von 14 V konstant angelegt wurde. Die Vorrichtung und die Anode waren durch 4 mm voneinander getrennt und die Potentialdifferenz zwischen diesen betrug 1 kV. Der Vorrichtungsstrom und der Emissionsstrom jeder Vorrichtung wurden unmittelbar nach dem Start und 100 Stunden nach dem Start gemessen. Die Haltespannung für elektrische Entladung wurde ebenfalls gemessen.
Die Vorrichtungen jedes der Beispiele 17 bis 19, die nicht zur Beurteilung der Elekronenemissionsfunktion herangezogen wurden, wurden mittels eines Laser-Raman-Spektrometers wie im Fall der Beispiele 15 und 16 beobachtet. Die Ergebnisse sind nachstehend aufgeführt.
[Beispiel 20, Vergleichsbeispiel 7]
Bei diesem Beispiel wurde ein Paar Elektronen-emittierender Vorrichtungen, jeweils mit einer Konfiguration wie in 1A und 1B gezeigt, auf einem Substrat hergestellt.
Schritt-a:
Eine gewünschte Struktur aus Fotolack (RD-2000N-41: erhältlich von Hitachi Chemical Co. Ltd.,) mit den Umrissen eines Paars von Vorrichtungselektroden entsprechenden Öffnungen wurde für jede Vorrichtung auf einem sorgsam gereinigten Kalknatronglassubstrat 1 in einer Dicke von 0,5 μm ausgebildet, auf dem ein Ti-Film und ein Ni-Film aufeinanderfolgend in jeweiligen Dicken von 5 nm und 100 nm mittels Vakuumabscheidung ausgebildet wurden. Danach wurde der Fotolack mittels eines organischen Lösungsmittels aufgelöst und die unnötigen Abschnitte des Ni/Ti-Films wurden abgehoben, um ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 für jede Vorrichtung zu erzeugen. Die Vorrichtungselektroden waren durch einen Abstand von L = 10 μm getrennt und hatten eine Breite von W = 300 μm.
Schritt-b:
Für jede Vorrichtung wurde ein elektrisch leitfähiger Dünnfilm 4 verarbeitet, um eine gegebene Struktur anzunehmen, um einen Elektronen-emittierenden Bereich 5 auszubilden. Genauer gesagt wurde ein Cr-Film in einer Dicke von 50 nm auf dem ein Paar Elektroden 2, 3 tragenden Substrat 1 mittels Vakuumabscheidung ausgebildet, und dann eine Cr-Maske mit einer dem Umriß der Vorrichtungselektroden 2 und 3 und dem diese trennenden Zwischenraum entsprechende Öffnung aus dem Cr-Film hergestellt. Die Öffnung hatte eine Weite W' von 100 μm. Danach wurde eine Lösung aus einem Pd-Aminkomplex (cccp4230: erhältlich von Okuno Pharmaceutical Co. Ltd.,) mittels einer Aufschleudereinrichtung auf dem Cr-Film aufgebracht und bei 300°C 10 Minuten lang in der Atmosphäre gebacken, um einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 zu erzeugen, der als Hauptbestandteil PdO enthält. Der Film hatte eine Filmicke von 12 nm.
Schritt-c:
Der Cr-Film wurde mittels Naßätzen entfernt und der elektrisch leitfähige Dünnfilm 4 wurde verarbeitet, um eine gewünschte Struktur anzunehmen. Die elektrisch leitfähigen Dünnfilme hatten einen elektrischen Widerstand von RS = 1,5 × 10⁴ Ω/⎕.
Schritt-d:
Dann wurden die Vorrichtungen in die Vakuumkammer eines in 7 dargestellten Meßsystems eingebracht und das Innere der Vakuumkammer 15 wurde mittels einer Vakuumpumpeneinheit 16 (Ionenpumpe) auf eine Druck von 2,7 × 10^–3 Pa evakuiert. Danach wurden die Probenvorrichtungen einem Erregungsausbildungsvorgang durch Anlegen einer Impulsspannung zwischen die Vorrichtungselektroden 2, 3 jeder Vorrichtung mittels einer Spannungsquelle 11 unterzogen, die zum Anlegen einer Vorrichtungsspannung Vf an jede Vorrichtung entworfen war. Der Impulssignalverlauf der angelegten Spannung für den Ausbildungsvorgang ist in 5B gezeigt.
Die Dreieckimpulsspannung hatte eine Impulsbreite von T1 = 1 ms und ein Impulsintervall von T2 = 10 ms und eine Spitzenspannung (für den Ausbildungsvorgang) wurde schrittweise mit einem Schritt von 0,1 V erhöht. Während des Ausbildungsvorgangs wurde eine (nicht gezeigte) zusätzliche Impulsspannung von 0,1 V in Intervalle der Ausbildungsimpulsspannung eingefügt, um den Widerstand des Elektronen-emittierenden Bereichs zu bestimmen, wobei der Widerstand ständig überwacht wurde, und der elektrische Ausbildungsvorgang wurde beendet, wenn der Widerstand 1 MΩ überschritt. Der Spitzenwert der Impulsspannung (Ausbildungsspannung) betrug 7 V für die Vorrichtungen, wenn der Ausbildungsvorgang beendet war.
Schritt-e:
Eine der Vorrichtungen wird als Vorrichtung A bezeichnet, wohingegen die andere als Vorrichtung B bezeichnet wird.
Eine bipolare Rechteckimpulsspannung gemäß der Darstellung in 6A wurde an die Vorrichtung A (Beispiel 20) angelegt, um einen Aktivierungsvorgang auszuführen. Die Impulssignalhöhe betrug ±18 und die Impulsbreite und das Impulsintervall betrugen T1 = T1' = 100 μs und T2 = 10 ms.
Eine monopolare Rechteckimpulsspannung gemäß der Darstellung in 6A wurde an die Vorrichtung B (Vergleichsbeispiel 7) angelegt, um einen Aktivierungsvorgang durchzuführen. Die Impulssignalhöhe, die Impulsbreite und das Impulsintervall betrugen jeweils VpH = 18 V, T1 = 100 μs und T2 = 10 ms. Der Aktivierungsvorgang wurde mit einem Abstand von 4 mm durchgeführt, der jede der Vorrichtungen und die Anoden trennte, sowie einer Potentialdifferenz von 1 kV, während sowohl If als auch Ie überwacht wurden. Unter dieser Bedingung war der Innendruck der Vakuumkammer 2,0 × 10^–3 Pa. Der Aktivierungsvorgang war nach etwa 30 Minuten beendet, wenn Ie auf einen Sättigungspegel erreichte.
Die Vakuumpumpeneinheit wurde zur Ionenpumpe umgeschaltet und die Vakuumkammer und die darin befindliche Vorrichtung wurden erwärmt, während die Kammer auf einen Druckpegel von 1,3 × 10^–4 Pa evakuiert wurde. Beide, If und If von jeder der Vorrichtungen von Beispiel 20 und Vergleichsbeispiel 7 wurden unmittelbar nach sowie 100 Stunden nach dem Start des Anlegens einer Rechteckimpulsspannung von 18 V gemessen.
Die Vorrichtungen von Beispiel 20 und Vergleichsbeispiel 7 wurden mittels eines Laser-Raman-Spektrometers untersucht, um die Halbwertsbreite von P1 in der Nähe und außerhalb des Spalts für jede Vorrichtung zu sehen. Die Ergebnisse sind nachstehend gezeigt.
Aus dem obigen ist ersichtlich, daß die Vorrichtung A von Beispiel 20 eine Kristallinität nahe dem Spalt hat, die höher ist als die der Vorrichtung B des Vergleichsbeispiels 7. Dies könnte sein, da ein stärkeres elektrisches Feld an Stellen erzeugt wird, wo das Wachstum von Graphit beträchtlich ist, und tatsächlich wächst Graphit insbesondere an beiden Enden des Spalts einer Elektronen-emittierenden Vorrichtung.
Jede der Vorrichtungen der folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele hat eine Konfiguration gemäß der Darstellung in 1A und 1B. Eine Gesamtheit von vier Vorrichtungen wurde parallel auf einem einzelnen Substrat für jedes Beispiel hergestellt.
[Beispiel 21]
Schritt-a:
Eine gewünschte Struktur aus Fotolack (RD-2000N-41: erhältlich von Hitachi Chemical Co. Ltd.,) mit den Umrissen eines Paars von Elektroden entsprechenden Öffnungen wurde für jede Vorrichtung auf einem sorgsam gereinigten Quarzglassubstrat 1 ausgebildet, auf dem ein Ti-Film und ein Ni-Film aufeinanderfolgend in jeweiligen Dicken von 5 nm und 100 nm mittels Vakuumabscheidung ausgebildet wurden. Danach wurde der Fotolack mittels eines organischen Lösungsmittels gelöst und die unnötigen Abschnitte des Ni/Ti-Films wurden abgehoben, um ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 für jede Vorrichtung zu erzeugen. Die Vorrichtungselektroden waren um einen Abstand von L = 10 μm beabstandet und hatten eine Breite von W = 300 μm.
Schritt-b:
Für jede Vorrichtung wurde ein Cr-Film einer Dicke von 50 nm auf dem ein Paar Elektroden 2, 3 tragenden Substrat 1 mittels Vakuumabscheidung ausgebildet, und dann eine Cr-Maske mit einer dem Umriß der Vorrichtungselektroden 2 und 3 und dem diese trennenden Zwischenraum entsprechende Öffnung wurde aus dem Cr-Film ausgebildet. Die Öffnung hatte eine Weite W' von 100 μm. Danach wurde eine Lösung eines Pd-Aminkomplexes (cccp4230: erhältlich von Okuno Pharmaceutical Co. Ltd., ) mittels einer Aufschleudereinrichtung auf dem Cr-Film aufgebracht und bei 300°C 10 Minuten lang in der Atmsophäre gebacken, um einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 zu erzeugen, der als Hauptbestandteil PdO enthält. Der Film hatte eine Filmdicke von 12 nm.
Schritt-c:
Der Cr-Film wurde mittels Naßätzen entfernt und der elektrisch leitfähige Dünnfilm 4 wurde verarbeitet, um eine gewünschte Struktur aufzuweisen. Die elektrisch leitfähigen Dünnfilme zeigten einen elektrischen Widerstand von RS = 1, 5 × 10⁹ Ω/⎕.
Schritt-d:
Dann wurde das verarbeitete Substrat in die Vakuumkammer eines in 7 dargestellten Meßsystems eingebracht und das Innere der Vakuumkammer 15 wurde mittels einer Vakuumpumpeneinheit 16 (Ionenpumpe) auf einen Druck von 2,7 × 10^–6 Pa evakuiert. Danach wurden die Probenvorrichtungen einem Erregungsausbildungsvorgang durch Anlegen einer Impulsspannung zwischen den Vorrichtungselektroden 2, 3 jeder Vorrichtung mittels einer Spannungsquelle 61 unterzogen, die zum Anlegen einer Vorrichtungsspannung Vf an jede Vorrichtung bemessen war. Der Impulssignalverlauf der angelegten Spannung für den Ausbildungsvorgang ist in 5B dargestellt.
Die Dreieckimpulsspannung hatte eine Impulsbreite von T1 = 1 ms und ein Impulsintervall von T2 = 10 ms und die Spitzenspannung bzw. Peakspannung (für den Ausbildungsvorgang) wurde schrittweise mit einem Schritt von 0,1 V erhöht. Während des Ausbildungsvorgangs wurde eine (nicht gezeigte) zusätzliche Impulsspannung von 0,1 V in Intervalle der Ausbildungsimpulsspannung eingefügt, um den Widerstand des Elektronen-emittierenden Bereichs zu bestimmen, wobei der Widerstand ständig überwacht wurde, und der elektrische Ausbildungsvorgang wurde beendet, wenn der Widerstand 1 MΩ überschritt. Der Peakwert der Impulsspannung (Ausbildungsspannung) war 7.0 V für die Vorrichtungen, wenn der Ausbildungsvorgang beendet wurde.
Schritt-e:
Aceton wurde in die Vakuumkammer von dem Reservoir 18 durch Öffnen des variablen Durchlaßventils 17 eingeführt. Das Ventil wurde geregelt, um den Partialdruck von Aceton zu 1,3 × 10^–1 Pa innerhalb der Vakuumkammer 15 zu machen, wenn er mittels einer (nicht gezeigten) Quadrapol-Massenanalysatoreinrichtung beobachtet wurde.
Schritt-f:
Eine bipolare Rechteckimpulsspannung wie in 6A gezeigt wurde an die Vorrichtungen angelegt, um einen Aktivierungsvorgang auszuführen. Die Impulssignalhöhe, die Impulsbreite und das Impulsintervall betrugen jeweils Vph = V'Ph = 18 V, T1= T1' = 100 μs und T2 = 100 ms. Die Impulsspannung wurde 30 Minuten lang angelegt und dann gestoppt. Wenn das Anlegen der Impulsspannung endete, betrug der Vorrichtungsstrom If = 1,8 mA.
Schritt-g:
Die Zufuhr von Aceton wurde ausgesetzt und das Aceton in der Vakuumkammer wurde entfernt, wobei die Vorrichtungen auf 250°C geheizt wurden. Die Vakuumkammer selbst wurde ebenfalls mittels einer Heizvorrichtung geheizt.
[Beispiel 22]
Die Schritte von Beispiel 21 wurden für dieses Beispiel befolgt, mit der Ausnahme, daß der Partialdruck des Acetons auf 13 Pa angehoben wurde und die Impulssignalhöhe der bipolaren Impulsspannungs auf 20 V gehalten wurde. Da If schneller als bei Beispiel 1 anstieg wurde die Impulsspannungsanlegung nach 15 Minuten beendet und das Aceton innerhalb der Vakuumkammer wurde entfernt, wobei die Vorrichtungen auf 250°C erwärmt wurden. Die Vakuumkammer selbst wurde ebenfalls beheizt. Am Ende der Impulsspannungsanlegung betrug der Vorrichtungsstrom If = 2,1 mA.
[Vergleichsbeispiel 8]
Bei diesem Beispiel wurde der Partialdruck von Aceton gleich dem von Beispiel 1 oder 1,3 × 10^–1 Pa gemacht und eine monopolare Rechteckimpulsspannung mit einer Signalhöhe von Vph = 18 V gemäß der Darstellung in 6B wurde für den Aktivierungsvorgang verwendet. Im übrigen wurden die Schritte von Beispiel 21 befolgt. Am Ende der Impulsspannungsanlegung betrug der Vorrichtungsstrom If = 1,5 mA.
[Vergleichsbeispiel 9]
Bei diesem Beispiel wurde der Partialdruck von Aceton gleich dem von Beispiel 1 oder 1,3 × 10^–1 Pa gemacht und eine bipolare Impulsspannung mit einer Signalhöhe von Vph = 6 V wurde für den Aktivierungsvorgang verwendet. Im übrigen wurden die Schritt für Beispiel 21 befolgt. Am Ende der Impulsspannungsanlegung betrug der Vorrichtungsstrom If = 3.0 mA.
Danach wurde ein Stabilisierungsvorgang ausgeführt.
Eine Vorrichtung wurde von jedem der Beispiele 21 und 22 und Vergleichsbeispiele 8 und 9 ausgewählt und hinsichtlich der Elektronenemissionsfunktion mittels der Anordnung aus 7 getestet. Während des Tests wurde der interne Druck der Vakuumkammer auf unter 2,7 × 10^–6Pa gehalten und die Funktion jeder Vorrichtung wurde getestet, nachdem die Heizvorrichtung zur Beheizung der Vorrichtung und diejenige zur Beheizung der Vakuumkammer ausgeschaltet waren und die Vorrichtung auf Raumtemperatur abgekühlt war.
Die an die Vorrichtungen angelegte Spannung war eine monopolare Rechteckimpulsspannung wie in 6B dargestellt und hatte eine Signalhöhe, eine Impulsbreite und ein Impulsintervall von jeweils Vph = 18 V, T1 = 100 μs und T2 = 10 ms. Bei dem Meßsystem waren die Vorrichtungen von der Anode durch H = 4 mm beabstandet und die Potentialdifferenz wurde auf 1 kV gehalten.
Jede Vorrichtung wurde getestet, um die Elektronenemissionsfunktion unmittelbar nach dem Start des Tests und 100 Stunden nach Dauerbetrieb zu beurteilen. Es ist zu beachten, daß If der Vorrichtungen des Vergleichsbeispiels merk lich abfiel und Ie extrem gering war in Bezug auf das der anderen Vorrichtung, wenn die Anlegung der Aktivierungsimpulsspannung beendet war und der Test gestartet wurde, so daß kein Test für diese danach durchgeführt wurde. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle gezeigt.
Eine Vorrichtung, die nicht für den obigen Funktionstest verwendet worden war, wurde von jedem der Beispiele 21 und 22 und Vergleichsbeispielen 8 und 9 ausgewählt und hinsichtlich der Kristallinität des Kohlenstofffilms mittels eines Raman-Spektrometers untersucht. Ein Ar-Laser mit einer Wellenlänge von 514,5 nm wurde als Lichtquelle verwendet, die einen Lichtfleck mit einem Durchmesser von etwa 1 μm auf der Oberfläche der Probe erzeugte.
Der Ar-Laserlichtfleck des vorgenannten Raman-Spektrometers wurde dazu gebracht, den Spalt jeder Vorrichtung von einem Ende zum anderen abzutasten und die erhaltenen Werte für die Halbwertsbreite von P1 wurden als eine Funktion der Position des Lichtflecks aufgetragen. Die Vorrichtungen von Beispielen 21 und 22 zeigten eine Verringerung in der Halbwertsbreite von P1 in der Mitte, wie in 21 dargestellt. Während eine ähnliche Beobachtung für die Vorrichtung des Vergleichsbeispiels 8 am anodenseitigen Ende des Spalts zwischen den Elektroden erhalten wurde, und die Vorrichtung zeigte eine Verringerung der Halbwertsbreite von P1 in der Mitte, obwohl der Signalpegel niedrig war, da ein Kohlenstoffilm nur in geringem Ausmaß an dem anodenseitigen Ende gefunden wurde. Die Ergebnisse sind nachstehend aufgelistet.
Die Breite von P1 wurde lediglich innerhalb eines Bereichs von 1 μm von dem Spalt für Vergleichbeispiel 8 und einem Bereich von 2 μm für Beispiel 21 verringert.
Da sich die Kristallinität des Kohlenstofffilms in jedem der obigen Beispiele an und in der Nähe des Mittelpunkts davon als hoch herausstellte, wurde der Kohlenstofffilm weiter mittels eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) untersucht.
Für jede der Vorrichtungen von Beispielen 21 und 22, während ein Kohlenstofffilm an beiden Seiten des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs ausgebildet war, wurde ein Gitterbild entlang der Kanten des elektrisch leitfähigen Dünnfilms in dem innerhalb des Spalts angeordneten Kohlenstofffilm beobachtet, um die Existenz von Graphit nachzuweisen. Die Partikelgröße des Graphitkristalls betrug einige Nanometer. Andererseits wurde kein Gitterbild in Bereichen außerhalb des Spalts beobachtet, um anzuzeigen, daß der Kohlenstofffilm dort hauptsächlich aus amorphen Kohlenstoff bestand.
26 illustriert schematisch die Gitterbilder des Graphits, die in dem Kohlenstofffilm der Vorrichtung von Beispiel 21 beobachtet wurden. Der Kohlenstoffilm bestand auf Graphit 6 innerhalb des Spalts 5 und aus amorphem Kohlen stoff außerhalb des Spalts des elektrisch leitfähigen Dünnfilms. Während der die Graphitfilme trennende Spalt mit dem Spalt des Elektronen-emittierenden Bereichs in 26 zusammenfällt, müssen ihre Positionen nicht notwendigerweise miteinander übereinstimmen, und ersterer kann nahe dem Ende des letzteren befindlich sein.
Bei Beispiel 22 wurde ein Gitterbild selbst in Bereichen außerhalb des Spalts beobachtet, um teilweise nachzuweisen, daß der Kohlenstofffilm dort stärker aus Graphit bestand.
Für das Vergleichsbeispiel 8 war die Menge an Kohlenstofffilm an der Kathodenseite verglichen mit der Anodenseite gering, obwohl ein Gitterbild ähnlich dem von Beispiel 21 für den Kohlenstofffilm an der Anodenseite innerhalb des Spalts beobachtet wurde. Bei Vergleichsbeispiel 9 wurde im gesamten Kohlenstofffilm kein Gitterbild gefunden, was anzeigte, daß der gesamte Kohlenstofffilm aus amorphem Kohlenstoff bestand.
Eine Vertiefung 8 wurde auf dem Substrat von jeder der Vorrichtungen der obigen Beispiele und des Vergleichsbeispiels zwischen den Kohlenstofffilmen von Kohlenstofffilmen an entgegengesetzten Elektroden beobachtet (entsprechend der Vertiefung zwischen dem Kohlenstofffilm und der Kathode von Vergleichsbeispiel 1). Die Vertiefung war besonders tief bei der Vorrichtung von Beispiel 22. Dies kann anzeigen, daß Radikale und das Substrat dort positiv reagiert haben, da das elektrische Feld der Vorrichtung stärker war als das der anderen Vorrichtung in diesem Bereich und eine relativ große Vorrichtungsselektrode in der Vorrichtung erzeugt wurde. Durch Vergleich von Beispiel 21 mit Beispiel 22 stellte sich heraus, daß η = Ie/If größer an dem Teil von Beispiel 22 als an dem Teil von Beispiel 21 war, und einer der Gründe dafür kann die tiefe Vertiefung der Vorrichtung von Beispiel 22 sein, die einen Pfad für einen Kriechstrom durchtrennte, welcher zwischen den gegenüberliegenden E lektroden entstehen könnte. Anders ausgedrückt kann eine tiefe Vertiefung den Elektronenemissionswirkungsgrad einer Elektronen-emittierenden Vorrichtung verbessern.
[Beispiel 23]
Bei diesem Beispiel wurde eine Elektronenquelle durch Anordnen einer Vielzahl von Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen auf einem Substrat und Verdrahten dieser in Form einer Matrix hergestellt.
27 zeigt schematisch eine teilweise Draufsicht auf die Elektronenquelle. 28 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie 28-28 von 27. 29A bis 29H stellen schematisch Schritte zur Herstellung der Elektronenquelle dar.
Die Elektronenquelle hatte ein Substrat 1, X-Richtungsleitungen 22 und Y-Richtungsleitungen 23 (auch als obere Leitungen bezeichnet). Jede der Vorrichtungen der Elektronenquelle wies ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 und einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 auf, der einen Elektronen-emittierenden Bereich enthält. Im übrigen war die Elektronenquelle mit einer Zwischenschichtisolationsschicht 61 und Kontaktöffnungen 62 versehen, von denen jedes eine entsprechende Vorrichtungselektrode 2 und eine entsprechende untere Leitung 22 verband.
Die Schritte zur Herstellung der Elektronenquelle sind mit Bezug auf 29A bis 29H beschrieben, die jeweils den Herstellungsschritten entsprechen.
Schritt-A:
Nach gründlicher Reinigung einer Kalknatronglasplatte wurde darauf ein Siliziumoxidfilm in einer Dicke von 0,5 μm durch Sputtern ausgebildet, um ein Substrat 1 zu erzeugen, auf dem Cr und Au sequentiell in Dicken von 5 nm und 600 nm jeweils aufgelegt wurden, und dann wurde darauf mittels einer Aufschleudereinrichtung unter Rotation des Films ein Fotolack (AZ1370: erhältlich von der Firma Höchst) aufgebracht und gebacken. Danach wurde ein Fotomaskenbild mit Licht belichtet und entwickelt, um eine Lackstruktur für eine untere Verdrahtung bzw. Leitung 22 zu erzeugen, und dann wurde der abgeschiedene Au/Cr-Film naßgeätzt, um eine untere Leitung 22 zu erzeugen.
Schritt-B:
Ein Siliziumoxidfilm wurde als eine Zwischenschichtisolationsschicht 61 in einer Dicke von 1,0 μm mittels Hochfrequenzsputtern aufgebracht.
Schritt-C:
Eine Fotolackstruktur wurde zur Erzeugung einer Kontaktöffnung 62 in dem in Schritt-B abgeschiedenen Siliziumoxidfilm ausgebildet, wobei die Kontaktöffnung 62 tatsächlich durch Ätzen der Zwischenschichtisolationsschicht 61 unter Verwendung der Fotolackstruktur als einer Maske ausgebildet wurde. Für den Ätzvorgang wurde ein RIE (Reaktives Ionenätzen = Reactiv Ion Etching) unter Verwendung von CF₄ und H₂ Gas verwendet.
Schritt-D:
Danach wurde eine Struktur aus Fotolack (RD-2000N-41: erhältlich von Hitachi Chemical Co. Ltd.,) für ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 und einen die Elektroden trennenden Spalt G ausgebildet, und dann wurden aufeinanderfolgend Ti und Ni darauf jeweils in einer Dicke von 5 nm und 100 nm durch Vakuumabscheidung ausgebildet. Die Fotolackstruktur wurde mittels eines organischen Lösungsmittels gelöst und der abgeschiedene Ni/Ti-Film wurde unter Verwen dung einer Abhebetechnik behandelt, um ein Paar Vorrichtungselektroden 2 und 3 mit einer Breite von 300 μm zu erzeugen, die voneinander durch einen Abstand G von 3 μm getrennt sind.
Schritt-E:
Nach Ausbilden einer Fotolackstruktur auf den Vorrichtungselektroden 2, 3 für eine obere Leitung bzw. obere Verdrahtung 23 wurden Ti und Au sequentiell mittels Vakuumabscheidung in jeweiligen Dicken von 5 nm und 500 nm abgeschieden und dann unnötige Bereiche mittels einer Abhebetechnik entfernt, um eine obere Verdrahtung 23 mit einem gewünschten Profil zu erzeugen.
Schritt-F:
Dann wurde ein Cr-Film 63 mit einer Filmdicke von 30 nm mittels Vakuumabscheidung ausgebildet, welcher dann einem Strukturierungsvorgang unterzogen wurde, um eine Struktur eines elektrisch leitfähigen Dünnfilms 4 mit einer Öffnung aufzuweisen. Danach wurde eine Lösung aus einem Pd-Aminkomplex (ccp4230) mittels einer Aufschleudereinrichtung auf den Cr-Film aufgebracht, während der Film gedreht wurde, und bei 300°C 12 Minuten lang gebacken. Der ausgebildete elektrisch leitfähige Dünnfilm 64 bestand aus feinen Partikeln, die PdO als Hauptbestandteil enthielten und hatte eine Filmdicke von 70 nm.
Schritt-G:
Der Cr-Film 63 wurde unter Verwendung einer Ätze naßgeätzt und mit allen unnötigen Bereichen des elektrisch leitfähigen Dünnfilms 4 entfernt, um eine gewünschte Struktur zu schaffen. Der elektrische Widerstand betrug RS = 4 × 10⁴ Ω/⎕.
Schritt-H:
Dann wurde eine Struktur zur Aufbringung von Fotolack auf den gesamten Oberflächenbereich mit Ausnahme der Kontaktöffnung 62 vorbereitet, und Ti und Au wurden aufeinanderfolgend mittels Vakuumabscheidung in jeweiligen Dicken von 5 nm und 500 nm abgeschieden. Alle unnötigen Bereiche wurden mittels einer Abhebetechnik entfernt, um infolge die Kontaktöffnung zu begraben.
Durch die Verwendung einer wie vorstehend beschrieben hergestellten Elektronenquelle wurde ein Bilderzeugungsgerät hergestellt. Dies wird mit Bezug auf 10, 11A und 11B beschrieben.
Nach dem Sichern eines Elektronenquellensubstrats 21 an einer Rückplatte 31 wurde eine Frontplatte 36 (die einen Fluoreszenzfilm 34 und eine Metallrückseite 35 an der inneren Oberfläche eines Glassubstrats 33 trägt) 5 mm über dem Substrat 21 mit einem dazwischen angeordneten Stützrahmen 32 angeordnet, und darauf folgend wurde auf die Kontaktbereiche bzw. Berührungsbereiche der Frontplatte 36, des Stützrahmens 32 und der Rückplatte 31 Schmelzglas aufgebracht und bei 400 bis 500°C in der Umgebungsluft oder in einer Stickstoffatmosphäre für mehr als 10 Minuten gebacken, um den Behälter hermetisch zu versiegeln. Das Substrat 21 wurde gleichfalls mittels Schmelzglas an der Rückplatte 31 gesichert. In 10 bezeichnet Bezugszeichen 24 eine Elektronen-emittierende Vorrichtung und Bezugszeichen 22 und 23 bezeichnen jeweils X- und Y-Richtungsleitungen für die Vorrichtungen.
Während der Fluoreszenzfilm 34 lediglich aus einem Fluoreszenzkörper besteht, wenn das Gerät für Schwarz/Weißbilder ausgelegt ist, wurde der Fluoreszenzfilm 34 dieses Beispiels durch Ausbilden schwarzer Streifen und Ausfüllen der Zwischenräume mit streifenförmigen roten, grünen und blauen Fluoreszenzteilen hergestellt. Die schwarzen Streifen wur den aus einem weit verbreiteten Material hergestellt, das Graphit als Hauptbestandteil enthielt. Eine Aufschlemmtechnik wurde zum Aufbringen fluoreszenter Materialien auf das Glassubstrat 33 verwendet.
Eine Metallrückseite 35 ist an der inneren Oberfläche des Fluoreszenzfilms 34 angeordnet. Nach der Ausbildung des Fluoreszenzfilms wurde die Metallrückseite durch Durchführen einer Glättungsoperation (die normalerweise auch als Beschichtung [filming] bezeichnet wird) auf der inneren Oberfläche des Fluoreszenzfilms ausgebildet, und danach darauf eine Aluminiumschicht durch Vakuumabscheidung ausgebildet.
Während eine (nicht gezeigte) transparente Elektrode an der äußeren Oberfläche des Fluoreszenzfilms 34 zur Verbesserung dessen elektrischer Leitfähigkeit angeordnet sein kann, wurde sie bei diesem Beispiel nicht verwendet, da der Floureszenzfilm ein ausreichendes Ausmaß elektrischer Leitfähigkeit unter Verwendung von lediglich einer Metallrückseite aufwies.
Für den vorstehend angesprochenen Verbindungsvorgang wurden die Bestandteile sorgfältig ausgerichtet, um eine genaue Positionsbeziehung zwischen den Farb-Floureszenzteilen sowie den Elektronen-emittierenden Vorrichtungen sicherzustellen.
Das Innere der hergestellten Glasumhüllung (luftdicht versiegelter Behälter) wurde dann mittels einer (nicht gezeigten) Auslaßröhre sowie einer Vakuumpumpe auf einen ausreichenden Vakuumgrad evakuiert und danach wurde ein Ausbildungsvorgang für die Vorrichtunge Zeile für Zeile ausgeführt, indem die Y-Richtungsleitungen zueinander parallel geschaltet wurden. In 30 bezeichnet Bezugszeichen 64 eine gemeinsame Elektrode, die die Y-Richtungsleitungen 23 parallel geschaltet hat, und Bezugszeichen 65 bezeichnet eine Spannungsquelle, während Bezugszeichen 66 und 67 einen Widerstand zur Messung des elektrischen Stroms bzw. einen Oszilloskopen zur Überwachung des elektrischen Stroms bezeichnen.
Dann wurde das Innere des Feldes erneut auf einen Innendruck von 1,3 × 10^–4 Pa evakuiert und Wasserstoff wurde in das Feld eingeleitet, bevor eine ähnliche Impulsspannung an die Vorrichtungen angelegt wurde.
Dann wurde die Vakuumpumpeneinheit zu einer Ionenpumpe umgeschaltet und das Innere des Feldes wurde weiter auf einen Grad von 4,2 × 10^–5 Pa evakuiert, während das gesamte Feld mittels einer Heizvorrichtung geheizt wurde.
Darauf folgend wurden die Matrixleitungen angesteuert, um sicherzustellen, daß das Feld bzw. die Tafel normal und stabil hinsichtlich einer Bildanzeige arbeitet, und dann wurde die (nicht gezeigte) Auslaßröhre mittels Beheizung und Schmelzen derselben durch einen Gasbrenner versiegelt, um die Umhüllung hermetisch zu versiegeln.
Schließlich wurde die Anzeigetafel einem Gettervorgang unterzogen, um das Innere auf einem hohen Vakuumgrad zu halten.
Zur Ansteuerung des eine Anzeigetafel umfassenden hergestellten Bilderzeugungsgeräts wurden Abtastsignale und Modulationssignale an die Elektronen-emittierenden Vorrichtungen angelegt, um Elektronen zu emittieren, wobei die Signale von jeweiligen Signalerzeugungseinrichtungen mittels der externen Anschlüsse Dx1 bis Dxm und Dy1 bis Dyn zugeführt wurden, während eine Hochspannung von 5,0 kV an die Metallrückseite 19 oder eine (nicht gezeigte) transparente Elektrode mittels eines Hochspannungsanschlusses Hv angelegt wurde, so daß von den Vorrichtungen mit kalter Kathode emittierte Elektronen aufgrund der Hochspannung beschleu nigt wurden und mit dem Fluoreszenzfilm 54 kollidierten, um die Fluoreszenzteile dazu anzuregen, Licht zu emittieren und Bilder zu erzeugen.
Während die Elektronenquelle von Beispiel 22 eine Vielzahl von Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen ähnlich der gemäß Beispiel 1 hergestellten umfaßte, sind eine Elektronenquelle sowie ein Bilderzeugungsgerät gemäß der Erfindung nicht auf die Verwendung derartiger Elektronen-emittierender Vorrichtungen beschränkt. Alternativ kann eine Elektronenquelle hergestellt werden, indem die Elektronen-emittierenden Vorrichtungen wie die gemäß einem der Beispiele 2 bis 21 hergestellten ausgebildet wurden, und ein dem Beispiel 22 entsprechendes Bilderzeugungsgerät kann unter Verwendung einer derartigen Elektronen-quelle hergestellt werden.
31 zeigt ein Blockschaltbild eines unter Verwendung eines Bilderzeugungsgeräts (Anzeigetafel) von Beispiel 22 realisierten Anzeigegeräts, und das geeignet ist, visuelle Informationen, die von einer Vielzahl von Informationsquellen einschließlich Fernsehübertragung und anderen Bildquellen stammen, bereitzustellen. Gemäß 31 sind dargestellt eine Anzeigetafel bzw. Anzeigefeld 70, eine Anzeigefeldansteuereinrichtung 71, eine Anzeigefeldsteuereinrichtung 72, ein Multiplexer 73, ein Decoder 74, eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 75, eine Zentraleinheit bzw. CPU 76, eine Bilderzeugungseinrichtung 77, Bildeingabespeicherschnittstellen 78, 79 und 80, eine Bildeingabeschnittstelle 81, Fernsehsignalempfänger 82 und 83 und eine Eingabeeinheit 84. Wenn das Anzeigegerät zum Empfang von Fernsehsignalen verwendet wird, die aus Video- und Audiosignalen bestehen, sind Schaltungen, Lautsprecher und andere Vorrichtungen zum Empfangen, Trennen, Wiedergeben, Verarbeiten und Speichern für Audiosignale zusammen mit den in der Zeichnung dargestellten Schaltungen erforderlich. Jedoch ist ei ne Beschreibung derartiger Schaltungen und Vorrichtungen hier ausgelassen, da sie allgemein bekannt sind.
Nun werden die Komponenten des Geräts anhand des Bildsignalflusses durch dieses hindurch beschrieben.
Zunächst handelt es sich bei dem Fersehsignalempfänger 83 um eine Schaltung zum Empfang von über ein drahtloses Übertragungssystem unter Verwendung elektromagnetischer Wellen und/oder räumlicher optischer Telekommunikationsnetzwerke übertragener Fernsehsignale. Das zu verwendende Fernsehsignalsystem ist nicht auf ein besonderes beschränkt und irgendein System wie beispielsweise NTSC, PAL oder SECAM kann geeignet damit verwendet werden. Es ist insbesondere für Fernsehsignale geeignet, die eine größere Anzahl von Abtastzeilen beinhalten (typischerweise ein hochauflösendes Fernsehsystem wie beispielsweise das MUSE-System), da es für ein großes Anzeigefeld 70 mit einer großen Anzahl von Bildelementen beziehungsweise Pixeln verwendet werden kann. Die seitens des Fernsehsignalempfängers 73 empfangenen Fernsehsignale werden dem Decoder 74 zugeführt.
Zweitens handelt es sich bei dem Fernsehsignalempfänger 82 um eine Schaltung zum Empfangen von über ein leitungsgebundenes Übertragungssystem unter Verwendung von Koaxialkabeln und/oder Lichtleitfasern übertragenen Fernsehsignalen. Ähnlich dem Fernsehsignalempfänger 83 ist das zu verwendende Fernsehsignalsystem nicht auf ein besonderes beschränkt und die seitens der Schaltung empfangenen Fernsehsignale werden dem Decoder 74 zugeführt.
Die Bildeingabeschnittstelle 81 ist eine Schaltung zum Empfang von Bildsignalen, die von einer Bildeingabevorrichtung wie beispielsweise einer Fernsehkammera oder einer Bildaufnehmerabtasteinrichtung zugeführt werden. Sie führt die empfangenen Bildsignale auch dem Decoder 74 zu.
Die Bildeingabespeicherschnittstelle 80 ist eine Schaltung zum Wiederauffinden von in einem (nachstehend auch als VTR bezeichneten) Videorekorder gespeicherten Bildsignalen, und auch die wiederaufgefundenen Bildsignale werden dem Decoder 74 zugeführt.
Die Bildeingabespeicher-Schnittstelle 79 ist eine Schaltung zum Wiederauffinden von auf einer Videoplatte gespeicherten Bildsignalen, und die wiederaufgefundenen Bildsignale werden auch dem Decoder 74 zugeführt.
Bei der Bildeingabespeicher-Schnittstelle 78 handelt es sich um eine Schaltung zum Wiederauffinden von in einer Vorrichtung zur Speicherung von Stehbilddaten wie beispielsweise einer sogenannten Stehbildplatte gespeicherten Bildsignalen, und die wiederaufgefundenen Bildsignale werden auch dem Decoder 74 zugeführt.
Bei der Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 75 handelt es sich um eine Schaltung zum Anschließen des Anzeigegeräts an eine externe Signalausgabequelle, wie beispielsweise einen Computer, ein Computernetzwerk oder einen Drucker. Sie führt Eingabe-/Ausgabevorgänge für Bilddaten und Zeichen und Grafiken betreffende Daten aus, und falls erforderlich, für Steuersignale und numerische Daten zwischen der CPU 76 des Anzeigegeräts sowie einer externen Signalausgabequelle.
Bei der Bilderzeugungsschaltung 77 handelt es sich um eine Schaltung zur Erzeugung von auf dem Anzeigeschirm anzuzeigenden Bilddaten, wobei die Erzeugung auf der Grundlage der Bilddaten und der Zeichen und Grafiken betreffenden Daten erfolgt, welche von einer externen Signalausgabequelle über die Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 75 zugeführt wurden, oder jenen von der CPU 76 stammenden erfolgt. Die Schaltung umfaßt erneut ladbare Speicher zum Speichern von Bilddaten und Zeichen und Grafiken betreffenden Daten, Nur-Lesespeicher zum Speichern von bestimmten Zeichencodes entspre chenden Bildmustern, einen Prozessor zur Verarbeitung von Bilddaten sowie andere zur Erzeugung von Bildschirmbildern notwendigen Schaltungskomponenten.
Seitens der Bilderzeugungsschaltung 77 zu Anzeigezwecken erzeugte Bilddaten werden dem Decoder 74 zugeführt, und geeignetenfalls, können sie gleichfalls zu einer externen Schaltung wie beispielsweise einem Computernetzwerk oder Drucker über die Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 75 gesendet werden.
Die Zentraleinheit bzw. CPU 76 steuert das Anzeigegerät und führt die Vorgänge des Erzeugens, Auswählens und Editierens von auf dem Anzeigeschirm anzuzeigenden Bildern durch.
Beispielsweise sendet die CPU 76 Steuersignale zu dem Multiplexer 73 und wählt oder kombiniert geeignete Signale für auf dem Anzeigeschirm anzuzeigende Bilder. Gleichzeitig erzeugt sie Steuersignale für die Anzeigefeld-Steuereinrichtung 72 und steuert die Funktion des Anzeigegeräts hinsichtlich Bildanzeigefrequenz, Rbtastverfahren (zum Beispiel Zeilensprungabtastung oder Nicht-Zeilensprungabtastung), die Anzahl von Abtastzeilen pro Vollbild und so weiter.
Die CPU 76 sendet auch Bilddaten und Zeichen und Graphiken betreffende Daten direkt zu der Bilderzeugungsschaltung 77 und greift auf externe Computer und Speicher über die Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 75 zu, um externe Bilddaten und Zeichen und Graphiken betreffende Daten zu erhalten.
Die CPU 76 kann zusätzlich derart gestaltet sein, um an anderen Vorgängen bzw. Funktionen des Anzeigegeräts einschließlich des Vorgangs der Erzeugung und Verarbeitung von Daten ähnlich der Zentraleinheit eines Personalcomputers oder Textverarbeitungsgeräts teilzunehmen.
Die CPU 76 kann gleichfalls an ein mit dieser zusammenwirkendes externes Computernetzwerk über die Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 75 angeschlossen sein, um Berechnungen und andere Vorgänge auszuführen.
Die Eingabeeinheit 84 wird zur Zufuhr der Anweisungen, Programme und ihr seitens des Bedieners zugeführter Daten zur CPU 76 verwendet. Tatsächlich kann sie aus einer Vielzahl von Eingabevorrichtungen wie beispielsweise Tastaturen, Mäusen, Joysticks, Strichcodelesern und Spracherkennungsvorrichtungen als auch irgendeiner Kombinationen davon ausgewählt sein.
Der Decoder 74 ist eine Schaltung zur Umwandlung verschiedener Bildsignale, die über die Schaltungen 77 bis 73 eingegeben wurden, zurück in Signale für drei Primärfarben, Luminanzsignale und I- und Q-Signale. Vorzugsweise weist der Decoder 74 Bildspeicher wie durch eine strickpunktierte Linie in 31 dargestellt auf, um mit Fernsehsignalen wie beispielsweise jenen des MUSE-Systems zu arbeiten, die Bildspeicher zur Signalumwandlung erfordern. Die Bereitstellung von Bildspeichern erleichtert zusätzlich die Anzeige von Stehbildern als auch Vorgänge wie Ausdünnen, Interpolation, Vergrößerung, Verkleinerung, Synthetisieren und Editieren von Bildern, die optional von dem Decoder 74 im Zusammenwirken mit der Bilderzeugungsschaltung 77 und der Zentraleinheit bzw. CPU 76 ausgeführt werden.
Der Multiplexer 73 wird zur geeigneten Auswahl von auf dem Anzeigeschirm anzuzeigenden Bildern gemäß seitens der CPU 76 bereitgesteller Steuersignale verwendet. Anders ausgedrückt wählt der Multiplexer 73 gewisse umgewandelte Bildsignale aus, die von dem Decoder 74 stammen, und sendet diese zu der Ansteuerschaltung 71. Er kann ebenfalls den Anzeigeschirm in eine Vielzahl von Bildern unterteilen, um unterschiedliche Bilder gleichzeitig anzuzeigen, indem von einem Satz von Bildsignalen zu einem unterschiedlichen Satz von Bildsignalen innerhalb der Zeitperiode zum Anzeigen eines einzelnen Bildes bzw. Vollbildes umgeschaltet wird.
Die Anzeigefeldsteuereinrichtung 72 ist eine Schaltung zur Steuerung des Betriebs der Ansteuerschaltung 71 entsprechend von der CPU 76 übertragener Steuersignale.
Unter anderem arbeitet sie, um Signale zu der Ansteuerschaltung 71 zur Steuerung des Ablaufs von Vorgängen bzw. Funktionen der (nicht gezeigten) Spannungsquelle zur Ansteuerung des Anzeigefeldes zu steuern, um die Grundfunktion des Anzeigefeldes 70 zu definieren. Sie überträgt auch Signale an die Ansteuerschaltung 71 zur Steuerung der Bildanzeigefrequenz und des Abtastverfahrens (zum Beispiel Zeilensprungab-tastung oder Nicht-Zeilensprungabtastung), um die Betriebsart zur Ansteuerung des Anzeigefeldes 70 zu definieren.
Geeignetenfalls überträgt sie auch Signale zu der Ansteuerschaltung 71 zur Steuerung der Qualität der auf dem Anzeigeschirm anzuzeigenden Bilder hinsichtlich der Luminanz, des Kontrasts, Farbtons und Schärfe.
Die Ansteuerschaltung 71 ist eine Schaltung zur Erzeugung von an das Anzeigefeld 70 anzulegenden Ansteuersignalen. Sie arbeitet entsprechend von dem Multiplexer 73 stammenden Bildsignalen sowie von von der Anzeigefeldsteuereinrichtung 72 stammenden Steuersignalen.
Ein Anzeigegerät mit einer wie vorstehend beschriebenen und in 31 dargestellten Konfiguration kann von einer Vielzahl unterschiedlicher Bilddatenquellen stammende verschiedene Bilder auf dem Anzeigefeld 70 anzeigen. Genauer werden Bildsignale wie beispielsweise Fernsehbildsignale durch den Decoder 74 rückgewandelt und dann durch den Multiplexer 73 ausgewählt, bevor sie zu der Ansteuerschaltung 71 gesendet werden. Andererseits erzeugt die Anzeigesteuer einrichtung 72 Steuersignale zur Steuerung des Betriebs der Ansteuerschaltung 71 gemäß den Bildsignalen für auf dem Anzeigefeld 70 anzuzeigende Bilder. Die Ansteuerschaltung 71 legt dann Ansteuersignale an das Anzeigefeld 70 entsprechend den Bildsignalen und den Steuersignalen an. Daher werden Bilder auf dem Anzeigefeld 70 angezeigt. Alle vorstehend beschriebenen Vorgänge werden durch die CPU 76 in einer koordinierten Weise gesteuert.
Das vorstehend beschriebene Anzeigegerät kann nicht nur spezielle Bilder aus einer Anzahl von ihm zur Verfügung gestellten Bildern auswählen und anzeigen, sondern kann ebenfalls verschiedene Verarbeitungsvorgänge ausführen, die jene der Vergrößerung, der Verkleinerung, des Drehens, des Kantenhervorhebens, Ausdünnens, Interpolierens, Farbveränderungen und Modifizieren des Bildseitenverhältnisses von Bildern, sowie Editiervorgänge einschließlich jene zum Synthetisieren, Löschen, Verbinden, Ersetzen und Einfügen von Bildern einschließen, da die in dem Decoder 74, der Bilderzeugungsschaltung 77 und der CPU 76 enthaltenen Bildspeicher an derartigen Vorgängen teilnehmen.
Obwohl nicht mit Bezug auf das obige Ausführungsbeispiel beschrieben ist es möglich, es mit zusätzlichen Schaltungen zu versehen, die ausschließlich zur Audiosignalverarbeitung und für Editiervorgänge vorgesehen sind.
Daher kann ein erfindungsgemäß hergestelltes Anzeigegerät mit einer wie vorstehend beschriebenen Konfiguration eine große Vielzahl industrieller und kommerzieller Anwendungen haben, da es als Anzeigegerät für Fernsehsendungen, als Endgerät für Videotelekonferenzen, als ein Editiergerät für Stehbilder und Bewegtbilder, als ein Endgerät für ein Computersystem, als ein Bürozubehörgerät bzw. OA-Gerät [office accessory] wie beispielsweise einen Textverarbeitungsgerät, einem Spielgerät, und auf viele andere Weisen eingesetzt werden kann.
Es könnte überflüssig sein zu erwähnen, daß 31 lediglich ein Beispiel einer möglichen Konfiguration eines Anzeigegeräts mit einem Anzeigefeld darstellt, welches mit einer Elektronenquelle versehen ist, die durch Anordnen einer Vielzahl von Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen hergestellt ist, und die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise können einige der Schaltungskomponenten gemäß 31 ausgelassen oder zusätzliche Komponenten können dort vorgesehen sein, abhängig vom Anwendungsfall. Wenn beispielsweise ein Anzeigegerät gemäß der Erfindung für ein Bildtelefon verwendet wird, kann es geeignet sein, zusätzliche Komponenten wie beispielsweise eine Fernsehkamera, ein Mikrophon, Beleuchtungsgeräte und Sende-/Empfangsschaltungen einschließlich eines Modems vorzusehen.
Obwohl ein für das vorstehende Beispiel verwendeter Aktivierungsvorgang an die Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierenden Vorrichtungen der Bauart gemäß Beispiel 1 angepaßt war, kann ein Aktivierungsvorgang, der einem der Beispiele 2 bis 22 entspricht alternativ verwendet werden, wann immer er geeignet ist.
[Beispiel 24]
Bei diesem Beispiel wurden eine Elektronenquelle mit einer leiterartigen Leiterstruktur bzw. Verdrahtungsmuster und ein Bilderzeugungsgerät mit einer derartigen Elektronen-quelle auf eine wie nachfolgend mit Bezug auf 32A bis 32C beschriebene Weise hergestellt, welche einen Teil der Herstellungsschritte darstellen.
Schritt-A:
Nach sorgfältiger Reinigung einer Kalknatronglasplatte, wurde darauf ein Siliziumoxidfilm in einer Dicke von 0,5 μm durch Sputtern aufgebracht, um ein Substrat 21 zu erzeugen, auf dem eine Struktur aus Fotolack (RD-2000N-41: erhältlich von Hitachi Chemical Co., Ltd.) mit Öffnungen ausgebildet wurde, die der Struktur eines Paares von Elektroden entsprechen. Dann wurden ein Ti-Film und ein Ni-Film sequentiell in einer Dicke von 5 nm bzw. 100 nm mittels Vakuumabscheidung aufgebracht. Danach wurde der Fotolack mittels eines organischen Lösungsmittels gelöst und der Ni/Ti-Film wurde abgehoben, um gemeinsame Verdrahtungen bzw. gemeinsame Leitungen 26 zu erzeugen, die auch als Vorrichtungselektroden dienten. Die Vorrichtungselektroden waren durch einen Abstand von L = 10 μm beabstandet. (32A)
Schritt-B:
Ein Cr-Film wurde auf der Vorrichtung in einer Dicke von 300 nm mittels Vakuumabscheidung ausgebildet, und dann wurde mittels Fotolithographie eine der Struktur eines elektrisch leitfähigen Dünnfilms entsprechende Öffnung 92 ausgebildet. Danach wurde eine Cr-Maske 91 aus dem Film zur Ausbildung eines elektrisch leitfähigen Dünnfilms ausgebildet. (32B)
Danach wurde eine Lösung aus einem Pd-Aminkomplex (ccp4230: erhältlich von Okuno Pharamaceutical Co., Ltd.) mittels einer Aufschleudereinrichtung auf den Cr-Film aufgebracht und bei 300°C 12 Minuten lang gebacken, um einen Film aus feinen Partikeln zu erzeugen, der PdO als Hauptbestandteil enthält. Der Film hatte eine Filmdicke von 7 nm.
Schritt-C:
Die Cr-Maske wurde mittels Naßätzen entfernt und der Film aus feinen Partikeln aus PdO wurde abgehoben, um einen elektrisch leitfähigen Dünnfilm 4 mit einem gewünschten Profil zu erhalten. Der elektrisch leitfähige Dünnfilm hatte einen elektrischen Widerstand von etwa RS = 2 × 10⁴ Ω/⎕. (32C)
Schritt-D:
Eine Anzeigetafel wurde wie im Fall von Beispiel 23 hergestellt, obwohl die Tafel sich bei diesem Beispiel geringfügig von der gemäß Beispiel 23 dahingehend unterschied, daß erstere mit Gitterelektroden versehen war. Wie in 14 dargestellt wurden das Elektronenquellensubstrat 21, die Rückplatte 31, die Frontplatte 36 und die Gitterelektroden 27 zusammengefügt und externe Anschlüsse 29 und externe Gitterelektrodenanschlüsse 30 wurden daran angeschlossen.
Vorgänge des Ausbildens, der Aktivierung und der Stabilisierung wurden für das Bilderzeugungsgerät ausgeführt wie im Fall von Beispiel 23, und nachfolgend wurde die (nicht gezeigte) Auslaßröhre verschmolzen und hermetisch versiegelt. Schließlich wurde ein Gettervorgang mittels einer Hochfrequenzbeheizung ausgeführt.
Das Bilderzeugungsgerät gemäß diesem Beispiel konnte angesteuert werden, um wie das gemäß Beispiel 23 zu arbeiten.
Während der für das obige Beispiel verwendete Aktivierungsvorgang für Oberflächenleitungs-Elektronen-emittierende Vorrichtungen des Typs gemäß Beispiel 1 angepaßt war, kann ein Aktivierungsvorgang, der dem von Beispielen 2 bis 22 entspricht, wahlweise verwendet werden, wann immer er geeignet ist, wie im Fall von Beispiel 23.
Wie vorstehend ausführlich beschrieben kann durch Anordnen eines hochkristallinen Graphitfilms innerhalb des Spalts des Elektronen-emittierenden Bereichs einer Elektronenemittierenden Vorrichtung gemäß der Erfindung eine mögliche Verschlechterung mit der Zeit der Elektronen-emittierenden Vorrichtung hinsichtlich des Betriebs der Elektronenemissi on wirksam verhindert werden, so daß die Stabilität der Vorrichtung stark verbessert werden kann. Wenn ein derartiger Graphitfilm auf beiden, den anoden- und kathodenseitigen Enden des Spalts des Elekronen-emittierenden Bereichs ausgebildet ist, kann die Elektronen-emittierende Vorrichtung Elektronen mit einer verbesserten Rate emittieren, um den Elektronenemssionswirkungsgrad η = Ie/If weiter zu verbessern.
Wenn die Vorrichtung keinen Kohlenstofffilm außer dem Graphitfilm innerhalb des Spalts hat, oder wenn der Kohlenstofffilm außerhalb des Spalts, falls überhaupt vorhanden, aus hochkristallinem Graphit besteht, kann die Vorrichtung zudem wirksam von dem Phänomen der elektrischen Entladung befreit werden, das im Betrieb auftreten kann.
Schließlich kann durch Ausbilden einer Vertiefung bei dem Elektronen-emittierenden Bereich der Kriechstrom der Vorrichtung merklich verringert werden, um den Elektronenemissionswirkungsgrad der Vorrichtung weiter zu verbessern.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Elektronen emittierenden Vorrichtung (1–6; 24) mit einem Paar von Elektroden (2, 3) und einem zwischen den Elektroden angeordneten elektrisch leitfähigen Film (4), der einen Elektronen emittierenden Bereich enthält, wobei das Verfahren einen Schritt aufweist: Ausbilden eines Paars von Elektroden (2, 3) auf einem Substrat (1), wobei zwischen den Elektroden ein elektrisch leitfähiger Film (4) mit einem Spalt (5) ausgebildet ist; gekennzeichnet durch einen darauffolgenden Schritt: Abscheiden von Kohlenstoff oder einer Kohlenstoffverbindung (6) zumindest in dem Spalt (5), wobei dies durch Anlegen einer Spannung an den elektrisch leitfähigen Film (4) in einer Atmosphäre erfolgt, die eine oder mehr als eine organische Substanz und ein Gas enthält, das eine durch die folgende allgemeine Formel ausgedrückte Zusammensetzung hat: XY, wobei X und Y jeweils entweder ein Wasserstoff- oder ein Halogenatom darstellt.
Verfahren zur Herstellung einer Elektronen emittierenden Vorrichtung mit einem Paar von Elektroden (2, 3) und einem zwischen den Elektroden angeordneten elektrisch leitfähigen Film (4), der einen Elektronen emittierenden Bereich enthält, wobei das Verfahren einen Schritt aufweist: Ausbilden eines Paars von Elektroden (2, 3) auf einem Substrat (1), wobei zwischen den Elektroden ein elektrisch leitfähigen Film (4) mit einem Spalt (5) ausgebildet ist, und Anlegen einer Spannung an den elektrisch leitfähigen Film (4) in einer Atmosphäre, die eine oder mehr als eine organische Substanz enthält, wobei die Spannung eine bipolare Impulsspannung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Schritt des Abscheidens durchgeführt wird durch Schritte des Anlegens einer Spannung an den elektrisch leitfähigen Film (4) in einer ersten Atmosphäre, die eine oder mehr als eine organische Substanz enthält, und Anlegen einer Spannung an den elektrisch leitfähigen Film (4) in einer zweiten Atmosphäre, die ein Gas enthält, das eine durch die nachfolgende allgemeine Formel ausgedrückte Zusammensetzung hat: XY, wobei X und Y jeweils entweder ein Wasserstoff- oder ein Halogenatom darstellt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Schritte des Anlegens einer Spannung in der ersten Atmosphäre und des Anlegens einer Spannung in der zweiten Atmosphäre wechselweise durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Schritt des Anlegens einer Spannung an den elektrisch leitfähigen Film in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die eine oder mehr als eine organische Substanz enthält und ein Gas enthält, das eine durch die nachfolgende allgemeine Formel ausgedrückte Zusammensetzung hat: XY, wobei X und Y jeweils entweder ein Wasserstoff- oder ein Halogenatom darstellt.
Verfahren zur Herstellung einer Elektronen emittieren den Vorrichtung mit einem Paar von Elektroden und einem zwischen den Elektroden angeordneten elektrisch leitfähigen Film, der einen Elektronen emittierenden Bereich enthält, wobei das Verfahren einen Schritt aufweist: Ausbilden eines Paars von Elektroden (2, 3) auf einem Substrat (1), wobei zwischen den Elektroden ein elektrisch leitfähiger Film (4) ausgebildet ist, der einen Spalt (5) enthält; Abscheiden von Kohlenstoff oder einer Kohlenstoffverbindung (6) zumindest im dem Spalt (5); und Entfernen aller von Grafit unterschiedlichen Abscheidungen von dem Kohlenstoff oder der Kohlenstoffverbindung.
Verfahren zur Herstellung einer Elektronen emittierenden Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Abscheidens von Kohlenstoff oder einer Kohlenstoffverbindung einen Schritt des Anlegens einer Spannung an den elektrisch leitfähigen Film (4) in einer Atmosphäre umfasst, die eine oder mehr als eine organische Substanz enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Schritt des Entfernens aller Abscheidungen einen Schritt des Anlegens einer Spannung an den elektrisch leitfähigen Film in einer Atmosphäre umfasst, die ein Gas enthält, das eine durch die nachfolgende allgemeine Formel ausgedrückte Zusammensetzung hat: XY, wobei X und Y jeweils entweder ein Wasserstoff- oder ein Halogenatom darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Schritt des Entfernens aller Abscheidungen einen Schritt des Anlegens einer Spannung an den elektrisch leitfähigen (4) in einer Atmosphäre umfasst, die ein Gas enthält, das eine durch die nachfolgende allgemeine Formel ausgedrückte Zusammensetzung hat: XY, wobei X und Y jeweils entweder ein Wasserstoff- oder ein Halogenatom darstellt, und die eine oder mehr als eine organische Substanz enthält.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Schritte des Abscheidens von Kohlenstoff oder einer Kohlenstoffverbindung und des Entfernens aller Abscheidungen in ein und dem selben einzelnen Schritt ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Schritte des Abscheidens von Kohlenstoff oder einer Kohlenstoffverbindung und des Entfernens aller Abscheidungen einen Schritt des Anlegens einer Spannung an den elektrisch leitfähigen Film (4) in einer Atmosphäre umfassen, die ein Gas enthält, das eine durch die nachfolgende allgemeine Formel ausgedrückte Zusammensetzung hat: XY, wobei X und Y jeweils entweder ein Wasserstoff- oder ein Halogenatom darstellt, und eine oder mehr als eine organische Substanz enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6, wobei die Elektronen emittierende Vorrichtung (1–6; 24) eine Elektronen emittierende Vorrichtung des Oberflächenleitungstyps ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Fertigstellungsschritt, bei dem die Elektronen emittierende Vorrichtung (1–6; 24) einem Stabilisationsvorgang des Entfernens organischer Substanzen unter Vakuum unterzogen wird.
Verfahren zur Herstellung einer Elektronenquelle, die eine Vielzahl von Elektronen emittierenden Vorrichtungen (1–6; 24) aufweist, welche in Reihen angeordnet sind, die durch jeweilige Verdrahtungen miteinander verbunden sind, welches das Herstellen von Verdrahtungen zum Verbinden der Elektronen emittierenden Platten in Reihen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen emittierenden Vorrichtungen (1–6) jeweils anhand eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13 hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Elektronenquelle, die eine Vielzahl von Elektronen emittierenden Vorrichtungen (1–6; 24) aufweist, welche mittels einer Matrix von Verdrahtungen (22, 23) verbunden sind, wobei das Verfahren das Herstellen von Verdrahtungen zur Verbindung der Elektronen emittierenden Vorrichtungen in einer Matrix enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen emittierenden Vorrichtungen (1–6; 24) jeweils anhand eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13 hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Bilderzeugungsgeräts, welches Elektronen emittierende Vorrichtungen (1–6; 24) und ein Bilderzeugungsteil (36) aufweist, wobei das Verfahren das Zusammenbauen mit dem Bilderzeugungsteil enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronen emittierenden Vorrichtungen (1–6; 24) jeweils anhand eines Verfahrens gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 13 hergestellt werden.