JP2000173453A - 電子放出素子、電子源、画像形成装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高輝度で高品位な画像形成を可能とする画像
表示装置の電子源として適用可能な電子放出素子を提供
する。 【解決手段】 素子電極２，３間に、電子放出部５を含
む導電性膜４を有する電子放出素子の製造に際し、導電
性膜４に高抵抗部からなる電子放出部５を形成した後、
オレフィン系炭化水素と窒素から構成される混合気体中
で、基板１を加熱しながら素子電極２，３間に電圧を印
加して活性化処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子、該
電子放出素子を用いた電子源、該電子源を用いて構成し
た表示装置や露光装置等の画像形成装置の製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子放出素子には大別して熱電子
放出素子と冷陰極電子放出素子の２種類が知られてい
る。冷陰極電子放出素子には電界放出型（以下、「ＦＥ
型」と称す。）、金属／絶縁層／金属型（以下、「ＭＩ
Ｍ型」と称す。）や表面伝導型電子放出素子等が有る。

【０００３】ＦＥ型の例としては、Ｗ．Ｐ． Ｄｙｋｅ
ａｎｄ Ｗ．Ｗ． Ｄｏｌａｎ，“Ｆｉｅｌｄ Ｅｍ
ｉｓｓｉｏｎ”， Ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ８，８９（１９５６）ある
いはＣ．Ａ． Ｓｐｉｎｄｔ， “Ｐｈｙｓｉｃａｌ
Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｆｉ
ｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃａｔｈｏｄｅｓ ｗｉｔ
ｈ ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ ｃｏｎｅｓ”， Ｊ． Ａ
ｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ，４７，５２４８（１９７６）
等に開示されたものが知られている。

【０００４】ＭＩＭ型の例としては、Ｃ．Ａ． Ｍｅａ
ｄ， “Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆＴｕｎｎｅｌ−Ｅｍ
ｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ”， Ｊ． Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．， ３２，６４６（１９６１）等に開示され
たものが知られている。

【０００５】表面伝導型電子放出素子の例としては、
Ｍ．Ｉ． Ｅｌｉｎｓｏｎ， Ｒａｄｉｏ Ｅｎｇ．
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈｙｓ．， １０，１２９０（１
９６５）等に開示されたものがある。

【０００６】表面伝導型電子放出素子は、基板上に形成
された小面積の薄膜に、膜面に平行に電流を流すことに
より、電子放出が生ずる現象を利用するものである。こ
の表面伝導型電子放出素子としては、前記エリンソン等
によるＳｎＯ₂ 薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によるもの
［Ｇ．Ｄｉｔｔｍｅｒ：“Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉ
ｌｍｓ”， ９，３１７（１９７２）］、Ｉｎ₂ Ｏ₃ ／
ＳｎＯ₂ 薄膜によるもの［Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌ ａｎ
ｄ Ｃ．Ｇ． Ｆｏｎｓｔａｄ：“ＩＥＥＥＴｒａｎ
ｓ． ＥＤ Ｃｏｎｆ．”， ５１９（１９７５）］、
カーボン薄膜によるもの［荒木久 他：真空、第２６
巻、第１号、２２頁（１９８３）］等が報告されてい
る。

【０００７】これらの表面伝導型電子放出素子の典型的
な例として、前述のＭ．ハートウェルの素子構成を図１
７に模式的に示す。同図において１は絶縁性基板であ
る。４は電子放出部形成用の導電性膜で、Ｈ型形状のパ
ターンに形成された金属酸化物薄膜等からなり、後述の
フォーミングと呼ばれる通電処理により電子放出部５が
形成される。尚、図中のＬ’は０．５〜１ｍｍ、Ｗ’は
０．１ｍｍで設定されている。

【０００８】フォーミングとは、前記導電性膜４の両端
に直流電圧あるいは非常にゆっくりとした昇電圧例えば
１Ｖ／分程度を印加し、導電性膜４を局所的に破壊、変
形もしくは変質せしめ、周囲より電気的に高抵抗な状態
にした電子放出部５を形成することである。尚、電子放
出部５では導電性膜４の一部に亀裂が発生しており、そ
の亀裂付近から電子放出が行われる。

【０００９】上記フォーミング処理をした表面伝導型電
子放出素子は、導電性膜４に電圧を印加し、素子に電流
を流すことにより、上述電子放出部５より電子を放出せ
しめるものである。

【００１０】また、例えば特開平７−２３５２５５号公
報に開示されているように、フォーミングを終えた素子
に対して活性化と呼ばれる処理を施す場合がある。活性
化工程は、有機物質を含有する雰囲気下で、素子にパル
ス電圧の印加を繰り返すことで行うことができる。この
処理により、雰囲気中に存在する有機物質から、炭素ま
たは炭素化合物を主成分とする膜が素子上に堆積し、素
子電流Ｉ_f ，放出電流Ｉ_e が、著しく変化するようにな
る。

【００１１】上述の表面伝導型電子放出素子は、構造が
単純で製造も容易であることから、大面積にわたり多数
素子を配列形成できる利点がある。そこで、この特徴を
生かせるようないろいろな応用が研究されている。例え
ば、荷電ビーム源、表示装置等が挙げられる。

【００１２】多数の表面伝導型電子放出素子を配列形成
した例としては、並列に表面伝導型電子放出素子を配列
し、個々の表面伝導型電子放出素子の両端を配線にて夫
々結線した行を多数行配列した電子源が挙げられる（例
えば、特開昭６４−３１３３２号公報、特開平１−２８
３７４９号公報、特開平２−２５７５５２号公報）。

【００１３】また、特に表示装置等の画像形成装置にお
いては、近年、液晶を用いた平板型表示装置が、ＣＲＴ
に替わって普及してきたが、自発光型でないため、バッ
クライト等を持たなければならない等の問題があり、自
発光型の表示装置の開発が、望まれてきた。

【００１４】表面伝導型電子放出素子を多数配置した電
子源と、この電子源より放出された電子によって可視光
を発光せしめる蛍光体とを組み合わせた表示装置である
画像形成装置は、大面積の装置でも比較的容易に製造で
き、かつ表示品位の優れた自発光型表示装置である（例
えば、アメリカ特許第５０６６８８３号）。

【００１５】尚、従来、多数の表面伝導型電子放出素子
より構成された電子源より、電子放出をし、蛍光体の発
光をさせる素子の選択は、上述の多数の表面伝導型電子
放出素子を並列に配置し結線した配線（行方向配線と呼
ぶ）と、該電子源と蛍光体間の空間に行方向配線と直交
する方向（列方向と呼ぶ）に設置された制御電極（グリ
ッド電極と呼ぶ）への適当な駆動信号によるものである
（例えば、特開平１−２８３７４９号公報等）。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】前記電子源、画像形成
装置等に用いられる表面伝導型電子放出素子について
は、明るく均一な表示画像を安定して提供できるような
素子の開発が進められている。表面伝導型電子放出素子
の一対の対向する素子電極に電圧を印加したとき、素子
電流Ｉ_f と真空中に放出される放出電流Ｉ_e との電流比
を効率と称し、効率が高い素子、つまり、素子電流は小
さく、放出電流は大きい電子放出素子が望ましい。

【００１７】本発明者は、電子放出特性を決定する要因
として、電子放出部の構造が寄与すると考えている。活
性化処理を施した場合には、フォーミングにより形成し
た亀裂である間隙内の基板上及び間隙近傍の導電性膜上
に炭素を有する膜が堆積し、この結果、電子放出特性が
大きく変化する。安定で制御された電子放出特性と、電
子放出効率の向上が実現すれば、例えば蛍光体を画像形
成部材とする画像形成装置においては、低電流で明るい
高品位な画像形成装置、例えばフラットテレビが実現さ
れる。また、低電流化に伴い、画像形成装置を構成する
駆動回路等も安価になることも期待できる。

【００１８】しかしながら、これら表面伝導型電子放出
素子の真空中の挙動には、未解明点が存在し、さらなる
電子放出特性の向上と安定した電子放出が望まれてい
る。本発明者の検討の結果、このうち放出電流Ｉ_e につ
いては、炭素を有する膜中に包含される窒素量によって
左右されることが判明した。すなわち、活性化を行って
炭素を有する膜を堆積する場合、炭素を有する膜中の窒
素含有量を制御するようなプロセスを導入すると、条件
によっては高い効率を示すことを見いだした。放出電流
Ｉ_e が窒素含有量で変化する要因としては、窒素を炭素
を有する膜中に包含することで、仕事関数の低下、ある
いは、電子散乱係数の増加があるためと考えている。

【００１９】一方、上述の電子放出素子の製造プロセス
には、真空排気を要する工程が含まれる。各工程で、高
い真空度まで装置を排気することは、高価な真空排気装
置を必要とする上に、真空排気完了までの時間を要し、
装置もそれなりの密閉性を持たなくてはならない。さら
に、この電子放出素子を備えた電子源、もしくはこの電
子源を使用した画像形成装置でも、このようなプロセス
で電子放出素子を作成する場合には、製造過程において
真空排気工程を要し、製造コストが嵩むこととなる。も
ちろん、最終的な電子放出は真空下で行われるが、製造
段階での真空排気工程はできるだけ少なく、製造方法も
できるだけ単純であることが望ましい。

【００２０】本発明は、上記問題を鑑み、効率が高く、
安定な電子放出特性を実現できる表面伝導型電子放出素
子の製造方法とそれを用いた電子源の製造方法及び画像
形成装置の製造方法を提供するものである。また、本発
明の別の目的は、効率が高く、安定な電子放出特性を実
現できる表面伝導型電子放出素子を、高真空まで排気す
る工程を要さない、簡単なプロセスで作成する製造方法
を提供し、さらにそれを用いた電子源及び画像形成装置
の製造方法を提供するものである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した課題
を解決するために鋭意検討を行って成されたものであ
り、下述する構成のものである。

【００２２】すなわち、本発明は、基体上に形成された
一対の電極間を接続する導電性膜の一部に間隙を形成す
る工程と、該間隙内の該基体上および、該導電性膜上に
炭素を有する膜を形成する工程とを有し、該炭素を有す
る膜を形成する工程が、炭化水素ガスと、窒素ガスとを
含むガスを前記間隙に接触させた状態で、前記基体を加
熱しながら前記一対の電極間に電圧を印加する工程であ
る、ことを特徴とする電子放出素子の製造方法である。

【００２３】好ましくは、前記炭化水素ガスと窒素ガス
とを含むガスの全圧が、１．３×１０¹ 〜６．７×１０
⁴ Ｐａであり、前記炭化水素の分圧が、１．３×１０⁰
〜１．３×１０² Ｐａであり、前記基体を加熱する温度
が、５０℃〜２００℃である。

【００２４】また、前記炭化水素ガスは、標準状態で気
体であるメタン、エタン、プロパン、ブタン等の飽和炭
化水素、および、エチレン、プロピレン、ブテン、アセ
チレン等の不飽和炭化水素より成る群より選ばれるのが
望ましいが、蒸気圧の高いものであれば、標準状態で液
体あるいは固体である炭化水素を加熱して使用すること
もできる。

【００２５】また本発明は、基体上に電子放出素子を複
数配列形成した電子源の製造方法において、該電子放出
素子を上記本発明の電子放出素子の製造方法により製造
することを特徴とする電子源の製造方法である。

【００２６】さらに本発明は、電子源と、画像形成部材
とを有する画像形成装置の製造方法において、該電子源
を上記本発明の電子源の製造方法により製造することを
特徴とする画像形成装置の製造方法である。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好ましい実施態
様について述べる。

【００２８】まず、本発明にかかわる表面伝導型電子放
出素子の基本的な構成について説明する。

【００２９】図１の（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発
明にかかわる基本的な平面型の表面伝導型電子放出素子
の構成を模式的に示す平面図及び断面図である。図１に
おいて、１は基板、２と３は電極（素子電極）、４は導
電性膜、５は電子放出部、１０は炭素を有する膜であ
る。

【００３０】基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不
純物含有量を減少させたガラス、青板ガラス、青板ガラ
スにスパッタ法等によりＳｉＯ₂ を積層した積層体及び
アルミナ等のセラミックス等が挙げられる。

【００３１】対向する素子電極２，３の材料としては導
電性を有するものであればどのようなものであっても構
わないが、例えばＮｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、
Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ等の金属或は合金及びＰｄ、Ａ
ｇ、Ａｕ、ＲｕＯ₂ 、Ｐｄ−Ａｇ等の金属或は金属酸化
物とガラス等から構成される印刷導体、Ｉｎ₂ Ｏ₃ −Ｓ
ｎＯ₂ 等の透明導電体及びポリシリコン等の半導体材料
等が挙げられる。

【００３２】素子電極間隔Ｌ、素子電極の長さＷ、導電
性膜４の形状等は、この素子の応用形態等によって適宜
設計され、例えば、後述する表示装置で、テレビジョン
等では、画像サイズに対応した画素サイズが設計され、
とりわけ、高品位ＴＶでは、画素サイズが小さく、高精
細さが要求される。そのため、電子放出素子のサイズが
限定されたなかで、十分な輝度を得るためには、十分な
放出電流が得られるように設計される。

【００３３】素子電極間隔Ｌは、数百Å〜数百μｍであ
り、素子電極の製法の基本となるフォトリソグラフィー
技術、すなわち、露光機の性能とエッチング方法等、及
び、素子電極間に印加する電圧等により設定されるが、
好ましくは、数μｍ〜数十μｍである。

【００３４】素子電極の長さＷ、及び、膜厚ｄは、電極
の抵抗値、前述した配線との結線、多数配置された電子
源の配置上の問題より適宜設計され、通常は、素子電極
の長さＷは、数μｍ〜数百μｍであり、素子電極の膜厚
ｄは、数百Å〜数μｍである。

【００３５】基板１上に設けられた対向する素子電極２
と素子電極３上に導電性膜４が配された場合を図１に示
したが、図１に示された場合だけでなく、素子電極２，
３上には導電性膜４が形成されない場合もある。すなわ
ち、基板１上に、導電性膜４、対向する素子電極２，３
の順に積層構成した場合である。導電性膜４の膜厚は、
好ましくは数Å〜数千Åで、特に好ましくは１０Å〜５
００Åであり、素子電極２，３へのステップカバレー
ジ、電子放出部５と素子電極２，３間の抵抗値及び、後
述する通電処理条件等によって、適宜設定される。その
抵抗値は、１０³〜１０⁷ Ω／□のシート抵抗値を示
す。

【００３６】導電性膜４を構成する材料の具体例を挙げ
るならば、Ｐｄ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｃ
ｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｂ等の金
属、ＰｄＯ、ＳｎＯ₂ 、Ｉｎ₂ Ｏ₃ 、ＰｂＯ、Ｓｂ₂ Ｏ
₃ 等の酸化物、ＨｆＢ₂ 、ＺｒＢ₂ 、ＬａＢ₆ 、ＣｅＢ
₆ 、ＹＢ₄ 、ＧｄＢ₄ 等の硼化物、ＴｉＣ、ＺｒＣ、Ｈ
ｆＣ、ＴａＣ、ＳｉＣ、ＷＣ等の炭化物、ＴｉＮ、Ｚｒ
Ｎ、ＨｆＮ等の窒化物、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体、カーボ
ン、ＡｇＭｇ、ＮｉＣｕ、ＰｂＳｎ等であり、微粒子か
らなる微粒子膜である。

【００３７】なおここで述べる微粒子膜とは、複数の微
粒子が集合した膜であり、その微細構造は、微粒子が個
々に分散配置した状態あるいは微粒子が互いに隣接、あ
るいは重なり合った状態（いくつかの微粒子が集合し、
全体として島状構造を形成している場合も含む）をとっ
ている。微粒子の粒径は、数Å〜数千Åの範囲、好まし
くは、１０Å〜２００Åの範囲である。

【００３８】なお、本明細書では頻繁に「微粒子」とい
う言葉を用いるので、その意味について説明する。

【００３９】小さな粒子を「微粒子」と呼び、これより
も小さなものを「超微粒子」と呼ぶ。「超微粒子」より
もさらに小さく、原子の数が数百個程度以下のものを
「クラスター」と呼ぶことは広く行われている。

【００４０】しかしながら、それぞれの境は厳密なもの
ではなく、どの様な性質に注目して分類するかにより変
化する。また「微粒子」と「超微粒子」を一括して「微
粒子」と呼ぶ場合もあり、本明細書中での記述はこれに
沿ったものである。

【００４１】「実験物理学講座１４ 表面・微粒子」
（木下是雄 編、共立出版 １９８６年９月１日発行）
では次のように記述されている。

【００４２】「本稿で微粒子と言うときにはその直径が
だいたい２〜３μｍ程度から１０ｎｍ程度までとし、特
に超微粒子というときは粒径が１０ｎｍ程度から２〜３
ｎｍ程度までを意味することにする。両者を一括して単
に微粒子と書くこともあってけっして厳密なものではな
く、だいたいの目安である。粒子を構成する原子の数が
２個から数十〜数百個程度の場合はクラスターと呼
ぶ。」（１９５ページ ２２〜２６行目）

【００４３】付言すると、新技術開発事業団の“林・超
微粒子プロジェクト”での「超微粒子」の定義は、粒径
の下限はさらに小さく、次のようなものであった。

【００４４】「創造科学技術推進制度の“超微粒子プロ
ジェクト”（１９８１〜１９８６）では、粒子の大きさ
（径）がおよそ１〜１００ｎｍの範囲のものを“超微粒
子”（ｕｌｔｒａ ｆｉｎｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼
ぶことにした。すると１個の超微粒子はおよそ１００〜
１０⁸ 個くらいの原子の集合体という事になる。原子の
尺度でみれば超微粒子は大〜巨大粒子である。」（「超
微粒子−創造科学技術」林主税、上田良二、田崎明
編；三田出版 １９８８年 ２ページ１〜４行目）／
「超微粒子よりさらに小さいもの、すなわち原子が数個
〜数百個で構成される１個の粒子は、ふつうクラスター
と呼ばれる」（同書２ページ１２〜１３行目）

【００４５】上記のような一般的な呼び方をふまえて、
本明細書において「微粒子」とは多数の原子・分子の集
合体で、粒径の下限は数Å〜１０Å程度、上限は数μｍ
程度のものを指すこととする。

【００４６】電子放出部５は、導電性膜４の一部に形成
された間隙と、間隙内の基板上及び間隙近傍の導電性膜
上に形成された炭素を有する膜で構成される。尚、図１
では導電性膜に形成された間隙よりも狭い間隙を置いて
炭素を有する膜が対向配置されているが、炭素を有する
膜は上記した導電性膜に形成された間隙よりも狭い間隙
の一部でつながっている場合もある。

【００４７】また、炭素を有する膜１０は、窒素を含有
する炭素もしくはアモルファスカーボンから構成され
る。この炭素を有する膜１０の役割については、導電性
膜４の一部として機能し、また、電子放出部５を構成す
る物質として電子放出特性を支配することが分かってい
る。本発明の製造方法においては、炭化水素と窒素の混
合気体の減圧雰囲気下で活性化を施すが、混合気体の窒
素分圧を変化させることで、炭素を有する膜中の窒素量
が制御される。

【００４８】また、電子放出素子を形成する基体を加熱
することは、Ｈ₂ Ｏなど活性化時に炭素を有する膜が堆
積する堆積反応の阻害要因となりうる成分の反応部位へ
の吸着を防ぐと考えられる。その結果として炭化水素ガ
スの分解とその後の炭素を有する膜の堆積反応が促進さ
れ、同時に、窒素の分解と堆積物である炭素を有する膜
への含有がより効率的に行われる。

【００４９】炭素を有する膜１０は、導電性と強電界下
での安定性を有しているが、過剰の窒素を包むと半導体
的性質をもつので、適正な範囲がある。また、窒素含有
量が多いと熱的に不安定になるので、この点でも適正な
範囲が規定される。

【００５０】また、本発明の製造方法では、炭化水素ガ
スと窒素との混合ガスの全圧は、１．３×１０¹ 〜６．
７×１０⁴ Ｐａの範囲であり、所謂粘性流領域である。

【００５１】粘性流領域の導入圧力とは、混合ガスを構
成する気体分子の平均自由行程λが、電子放出素子が設
置された空間内部の代表的寸法値（例えば、真空容器の
内径もしくは、後述する画像形成装置における基板とフ
ェースプレートとの距離）に比べて、十分小さくなる程
度の圧力以上とする。

【００５２】以下、活性化工程を粘性流領域で行う技術
的な意味について説明する。活性化工程は、電子衝突あ
るいはジュール熱により、炭化水素の分解、重合を生じ
させると考えられる。

【００５３】本発明では、活性化工程において粘性流領
域の導入圧力を使用するために、炭素を有する膜を形成
する速度が増加する。加えて、活性化工程を、上記のよ
うに粘性流領域の圧力で行うことにより、真空装置を用
いる場合に比べ、装置が簡易になったことはもちろん、
真空装置内を排気するのに必要な時間を省略することが
でき、製造に必要な時間を短縮することが出来る。

【００５４】本発明の製造方法で作成された表面伝導型
電子放出素子の電子放出特性が、窒素含有量で変化する
要因として、窒素を炭素を有する膜中に含有すること
で、仕事関数の低下、あるいは、電子散乱係数の増加が
あるものと現在のところ考えている。

【００５５】次に、本発明にかかわる別な構成の表面伝
導型電子放出素子である垂直型の表面伝導型電子放出素
子について説明する。

【００５６】図２は基本的な垂直型の表面伝導型電子放
出素子の構成を示す模式的図面である。図２において、
図１と同一の符号のものは、同一である。

【００５７】基板１、素子電極２，３、導電性膜４、電
子放出部５、炭素を有する膜１０は、前述した平面型の
表面伝導型電子放出素子と同様の材料で構成されたもの
である。

【００５８】２１は段差形成部である。段差形成部２１
は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等で形成されたＳ
ｉＯ₂ 等の絶縁性材料で構成され、段差形成部２１の膜
厚が、先に述べた平面型の表面伝導型電子放出素子の素
子電極間隔Ｌに対応し、数十ｎｍ〜数十μｍであり、段
差形成部の製法、及び、素子電極間に印加する電圧等に
より設定されるが、好ましくは、数十ｎｍ〜数μｍであ
る。

【００５９】導電性膜４は、素子電極２，３と段差形成
部２１作成後に形成するため、素子電極２，３の上に積
層される。

【００６０】本発明の電子放出素子の製造方法の一例を
図３に示す。尚、図３中、４は導電性膜で例えば微粒子
膜が挙げられる。

【００６１】以下、図１及び図３に基づいて本発明の製
造方法の一例を順をおって説明する。

【００６２】１）基板１を洗剤、純水及び有機溶剤によ
り十分に洗浄後、真空蒸着法、スパッタ法等により素子
電極材料を堆積後、フォトリソグラフィー技術を用いて
該基板１の面上に素子電極２，３を形成する（図３
（ａ））。

【００６３】２）基板１上に設けられた素子電極２と素
子電極３との間に、有機金属溶液を塗布して放置するこ
とにより、有機金属薄膜を形成する。尚、有機金属溶液
とは、前述の導電性膜材料の金属を主元素とする有機化
合物の溶液である。この後、有機金属薄膜を加熱焼成処
理し、リフトオフ、エッチング等によりパターニング
し、導電性膜４を形成する（図３（ｂ））。尚、ここで
は、有機金属溶液の塗布法により説明したが、導電性膜
４の形成法はこれに限られるものではなく、真空蒸着
法、スパッタ法、化学的気相堆積法、分散塗布法、ディ
ッピング法、スピンナー法等によって形成される場合も
ある。

【００６４】３）つづいて、フォーミング処理を行う。
このフォーミング処理方法の一例として通電処理による
方法を説明する。素子電極２，３間に、不図示の電源よ
り通電処理が行われると、導電性膜４の一部に間隙６が
形成される（図３（ｃ））。

【００６５】フォーミング処理は、パルス波高値が定電
圧のパルスを印加する場合と、パルス波高値を増加させ
ながら、電圧パルスを印加する場合とがある。

【００６６】パルス波高値が定電圧のパルスを印加する
場合の電圧波形を図４（ａ）に示す。図４（ａ）中、Ｔ
₁ 及びＴ₂ は電圧波形のパルス幅とパルス間隔であり、
Ｔ₁を１μｓｅｃ．〜１０ｍｓｅｃ．、Ｔ₂ を１０μｓ
ｅｃ．〜１００ｍｓｅｃ．とし、三角波の波高値（フォ
ーミング時のピーク電圧）は、適宜選択し、真空雰囲気
下で印加する。

【００６７】次に、パルス波高値を増加させながら、電
圧パルスを印加する場合の電圧波形を図４（ｂ）に示
す。図４（ｂ）中、Ｔ₁ 及びＴ₂ は電圧波形のパルス幅
とパルス間隔であり、Ｔ₁ を１μｓｅｃ．〜１０ｍｓｅ
ｃ．、Ｔ₂ を１０μｓｅｃ．〜１００ｍｓｅｃ．とし、
三角波の波高値（フォーミング時のピーク電圧）は、例
えば０．１Ｖステップ程度づつ、増加させ、真空雰囲気
下で印加する。

【００６８】尚、フォーミング処理の終了は、パルス間
隔Ｔ₂ 中に、導電性膜４を局所的に破壊、変形しない程
度の電圧、例えば０．１Ｖ程度の電圧で、素子電流を測
定し、抵抗値を求め、例えば１ＭΩ以上の抵抗を示した
時、フォーミングを終了とした。この時の電圧を、フォ
ーミング電圧Ｖ_formと呼ぶことにする。

【００６９】以上説明した間隙６を形成する際、素子の
電極間に三角波パルスを印加してフォーミング処理を行
っているが、素子の電極間に印加する波形は三角波に限
定することはなく、矩形波など所望の波形を用いても良
く、その波高値及びパルス幅、パルス間隔等についても
上述の値に限ることなく、間隙６が良好に形成されるよ
うに、導電性膜４の抵抗値等にあわせて、所望の値を選
択する。

【００７０】また、このフォーミング電圧は、素子の材
料、構成等により一義的に決まるので、上記図４（ｂ）
に示すようなパルス波高値を増加させながら、電圧パル
スを印加する場合の方が、個々の素子に適正なフォーミ
ングのエネルギーが容易に得られ、良好な電子放出特性
が得られるので好ましい。

【００７１】フォーミング処理以降の電気的処理は、図
５に示す測定評価装置内で行うことができる。以下に測
定評価装置を説明する。

【００７２】図５は、図１で示した構成を有する素子の
電子放出特性を測定するための測定評価装置の概略構成
図である。図５において、１は基板、２及び３は素子電
極、４は導電性膜、５は電子放出部を示す。また、５１
は電子放出素子に素子電圧Ｖ_f を印加するための電源、
５０は素子電極２，３間の電子放出部を含む導電性膜４
を流れる素子電流Ｉ_f を測定するための電流計、５４は
素子の電子放出部５より放出される放出電流Ｉ_e を捕捉
するためのアノード電極、５３はアノード電極５４に電
圧を印加するための高圧電源、５２は素子の電子放出部
５より放出される放出電流Ｉ_e を測定するための電流計
である。さらに、５５は、素子を擁する基板１及びアノ
ード電極５４が予め設置された後、ポンプ５６によって
排気される密閉された真空装置であり、真空計６０によ
り真空度を計測できる。

【００７３】また、真空装置５５には、後述する活性化
工程で使用する、窒素ガスボンベ５７とオレフィン系炭
化水素ガスボンベ５８が、バルブ５９を介して接続され
ている。なお、窒素ガスボンベ５７及び炭化水素ガスボ
ンベ５８には、流量を制御できるマスフローコントロー
ラ（不図示）が備えられている。炭化水素が常温で液体
あるいは固体である場合には、炭化水素ガスボンベ５８
は、加熱手段の付属したアンプル管等で代用することが
できる。

【００７４】電子放出素子の上記素子電流Ｉ_f 、放出電
流Ｉ_e の測定にあたっては、素子電極２，３に電源５１
と電流計５０とを接続し、該電子放出素子の上方に電源
５３と電流計５２とを接続したアノード電極５４を配置
している。また真空装置５５には、高真空用の排気ポン
プ及び真空計等、高真空装置に必要な機器が具備されて
おり、所望の真空下で素子の測定評価を行えるようにな
っている。尚、排気ポンプは、ターボポンプ、ロータリ
ーポンプからなる通常の高真空装置系あるいは、オイル
を使用しない、磁気浮上ターボポンプ、ドライポンプ等
の高真空装置系と更に、イオンポンプからなる超高真空
装置系からなる。

【００７５】また、真空装置全体、及び素子を備える電
子源基板は、不図示のヒーターにより２５０℃まで加熱
できる。

【００７６】なお、電子放出素子の電子放出特性は、ア
ノード電極５４の電圧を１ｋＶ〜１０ｋＶ、アノード電
極５４と電子放出素子との距離Ｈを２ｍｍ〜８ｍｍの範
囲で測定を行うことができる。

【００７７】４）次に、フォーミングが終了した素子に
活性化処理と呼ぶ処理を施す。本発明における活性化処
理とは、炭化水素ガスと窒素ガスとを含むガスを少なく
とも前記間隙６に接触させた状態（例えば有機物質の存
在する雰囲気下に素子を配置し）で、基板を加熱しなが
らフォーミング同様、素子電極２，３間にパルス電圧の
印加を繰り返す処理のことを言い、雰囲気中の有機物質
から、炭素を有する膜１０を間隙６内の基板１上及び導
電性膜４上に堆積することで、電子放出部５を形成し、
素子電流Ｉ_f 、放出電流Ｉ_e が、著しく変化する処理で
ある（図３（ｄ））。

【００７８】本発明における活性化処理では、炭化水素
と窒素で構成される混合ガス粘性流雰囲気下、電極間に
パルス電圧を印加するが、このときの好ましい混合ガス
の全圧および両者の分圧比は、前述の応用の形態、真空
容器の形状や、炭化水素の種類、設定する基板温度など
により異なるため、場合に応じ適宜設定される。

【００７９】ここで適当な炭化水素としては、窒素と混
合させることを考え、常温で気体であるものが望まし
い。具体的には、メタン、エタン、プロパン、ブタン等
の飽和炭化水素、エチレン、プロピレン、ブテン、アセ
チレン等の不飽和炭化水素である。しかし、常温で液体
あるいは固体であっても、加熱して蒸気圧を高めれば使
用することができる。その意味で炭素数の多い炭化水素
や芳香族炭化水素も使用することができる。

【００８０】この活性化処理により、雰囲気中に存在す
る炭化水素が分解し、同時にキャリアガスの窒素も分解
されて、窒素を含む炭素を有する膜が素子上に堆積し、
素子電流Ｉ_f 、放出電流Ｉ_e が著しく変化するようにな
る。さらに、電子放出素子を形成する基体を加熱して活
性化処理を施す為、Ｈ₂ Ｏなど堆積反応の阻害要因とな
りうる成分の反応部位への吸着を防ぐと考えられる。そ
の結果として炭化水素ガスの分解とその後の炭素を有す
る膜の堆積反応が促進され、同時に、窒素の分解と堆積
物への含有がより効率的に行われる。

【００８１】炭素を有する膜中の炭素とは、例えばグラ
ファイト（いわゆるＨＯＰＧ，ＰＧ，ＧＣを包含するも
ので、ＨＯＰＧはほぼ完全なグラファイト結晶構造、Ｐ
Ｇは結晶粒が２０ｎｍ程度で結晶構造がやや乱れたも
の、ＧＣは結晶粒が２ｎｍ程度になり結晶構造の乱れが
さらに大きくなったものを指す。）、非晶質カーボン
（アモルファスカーボン及び、アモルファスカーボンと
前記グラファイトの微結晶の混合物を指す。）である。

【００８２】ところで、本発明に係る表面伝導型電子放
出素子における炭素を有する膜の堆積機構は必ずしも明
らかとはなっていないが、熱、電子線、電界、光等のエ
ネルギーが複雑に組み合わさることにより有機分子が分
解し、堆積が起こると考えられている。同時に、雰囲気
中に存在する窒素分子も、同様な機構で分解し、堆積物
中に包含されると考えている。従って、活性化において
導電性膜に印加するパルス、もしくは、選択する有機分
子の種類およびその分圧比、さらには、堆積時の基板温
度により、堆積物の物性（導電率、仕事関数、電子散乱
係数、熱的安定性、機械的性質等）が異なる。従って、
この物性が電子放出の特性を決める重要な因子となる。
なお、堆積物の膜厚は、５０ｎｍ以下の範囲とするのが
好ましく、３０ｎｍ以下の範囲とすることがより好まし
い。

【００８３】尚、図３（ｄ）に示す様に、炭素を有する
膜１０はフォーミング等により導電性膜４に形成された
間隙６よりも狭い間隙７を境いに対向して配置されてい
るが、炭素を有する膜１０は間隙７の一部でつながって
いる場合もある。

【００８４】５）こうして作成した電子放出素子を、好
ましくは、フォーミング処理及び活性化処理した真空度
より高い真空度の真空雰囲気にて駆動する。また、フォ
ーミング処理及び活性化処理した真空度より高い真空度
の真空雰囲気とは、好ましくは、約１．３×１０^-4Ｐａ
以上の真空度を有する真空度であり、より好ましくは、
超高真空系で、炭素、及び炭素化合物が存在しないか、
存在しても、ほぼ、堆積しない真空度である。

【００８５】従って、これによって、これ以上の炭素及
び炭素化合物の堆積を抑制することが可能となり、素子
電流Ｉ_f ，放出電流Ｉ_e が、一定に安定する。

【００８６】上述のような素子構成と製造方法によって
作成された本発明にかかわる電子放出素子の基本特性に
ついて、図５及び図６を用いて説明する。

【００８７】図５に示した測定評価装置により測定され
た放出電流Ｉ_e 及び素子電流Ｉ_f と素子電圧Ｖ_f の関係
の典型的な例を図６に示す。尚、図６においては、放出
電流Ｉ_e が素子電流Ｉ_f に比べて著しく小さいので、任
意単位で示されている。図６からも明らかなように、本
電子放出素子は放出電流Ｉ_e に対する３つの特性を有す
る。

【００８８】まず第１に、本素子はある電圧（しきい値
電圧と呼ぶ；図６中のＶ_th）以上の素子電圧を印加する
と急激に放出電流Ｉ_e が増加し、一方しきい値電圧Ｖ_th
以下では放出電流Ｉ_e が殆ど検出されない。すなわち、
放出電流Ｉ_e に対する明確なしきい値電圧Ｖ_thを持った
非線形素子である。

【００８９】第２に、放出電流Ｉ_e が素子電圧Ｖ_f に依
存するため、放出電流Ｉ_e は素子電圧Ｖ_f で制御でき
る。

【００９０】第３に、アノード電極５４に捕捉される放
出電荷は、素子電圧Ｖ_f を印加する時間に依存する。つ
まり、アノード電極５４に捕捉される電荷量は、素子電
圧Ｖ_f を印加する時間により制御できる。

【００９１】一方、素子電流Ｉ_f は素子電圧Ｖ_f に対し
て単調増加する特性（ＭＩ特性と呼ぶ）及び電圧制御型
負性抵抗特性（ＶＣＮＲ特性と呼ぶ）を示す場合がある
が、これら素子電流の特性は、その製法に依存する。ま
た、ＶＣＮＲ特性を示す境界電圧とＶｐという。

【００９２】即ち、素子電流Ｉ_f のＶＣＮＲ特性は、通
常の真空装置系でフォーミングを行ったとき発生し、そ
の特性は、フォーミング時の電気的条件、真空装置系の
真空雰囲気条件等、あるいは、フォーミングを既に行っ
た電子放出素子の測定時の真空装置系の真空雰囲気条
件、測定時の電気的測定条件（例えば、電子放出素子の
電流−電圧特性を得るために、素子に印加する電圧を低
電圧から高電圧まで掃引したときの掃引速度等）、測定
時までの電子放出素子の真空装置内の放置時間等に依存
して、大きく変わることが判明した。またこの時、放出
電流Ｉ_e は、ＭＩ特性を示す。

【００９３】以上のような表面伝導型電子放出素子の特
性、即ち、素子電流Ｉ_f 、放出電流Ｉ_e の素子印加電圧
に対する単調増加特性を有するため、本発明に係る電子
放出素子は、多方面への応用が期待できる。

【００９４】以上表面伝導型電子放出素子の基本的構
成、製法について説明したが、本発明の思想によれば、
表面伝導型電子放出素子の特性で上述の３つの特性を有
すれば、上述の構成等に限定されず、以下に説明する電
子源、表示装置等の画像形成装置においても適用でき
る。

【００９５】次に、本発明を適用可能な電子源及び画像
形成装置について述べる。

【００９６】本発明を適用可能な電子放出素子を複数
個、基板上に配列して、電子源あるいは画像形成装置が
構成できる。

【００９７】電子放出素子の配列の方式には、例えば、
従来例で述べた、多数の表面伝導型電子放出素子を並列
に配置し、個々の素子の両端を配線にて接続した、電子
放出素子の行を多数配列し（行方向と呼ぶ）、この配線
と直交する方向（列方向と呼ぶ）に、該電子源の上方の
空間に設置された制御電極（グリッドと呼ぶ）により、
電子を制御駆動する配列形態（以後、はしご型とい
う）、及び次に述べるｍ本のＸ方向配線の上に、ｎ本の
Ｙ方向配線を層間絶縁層を介して設置し、表面伝導型電
子放出素子の一対の素子電極に、それぞれＸ方向配線、
Ｙ方向配線を接続した配列形態が挙げられる。これを単
純マトリクス配置と以降呼ぶ。

【００９８】次に、この単純マトリクスについて詳述す
る。

【００９９】本発明に係る表面伝導型電子放出素子の前
述した３つの基本的特性の特徴によれば、表面伝導型電
子放出素子からの放出電子は、しきい値電圧以上では、
対向する素子電極間に印加するパルス状電圧の波高値と
幅で制御できる。一方、しきい値電圧以下では、殆ど放
出されない。この特性によれば、多数の電子放出素子を
配置した場合においても、個々の素子に上記パルス状電
圧を適宜印加すれば、入力信号に応じて、表面伝導型電
子放出素子を選択し、その電子放出量が制御できること
となる。

【０１００】以下、この原理に基づき構成した電子源基
板の構成について、図７を用いて説明する。

【０１０１】ｍ本のＸ方向配線７２は、Ｄ_x1，Ｄ_x2，…
…，Ｄ_xmからなり、絶縁性基板７１上に、真空蒸着法、
印刷法、スパッタ法等で形成し、所望のパターンとした
導電性金属等からなり、多数の表面伝導型電子放出素子
にほぼ均等な電圧が供給される様に、材料、膜厚、配線
幅が設定される。Ｙ方向配線７３は、Ｄ_y1，Ｄ_y2，…
…，Ｄ_ynのｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線７２と同様
に、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等で形成し、所望
のパターンとした導電性金属等からなり、多数の表面伝
導型電子放出素子にほぼ均等な電圧が供給される様に、
材料、膜厚、配線幅が設定される。これらｍ本のＸ方向
配線７２とｎ本のＹ方向配線７３との間には、不図示の
層間絶縁層が設置され、電気的に分離されて、マトリク
ス配線を構成する（このｍ、ｎは、共に正の整数）。

【０１０２】不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷
法、スパッタ法等で形成されたＳｉＯ₂ 等であり、Ｘ方
向配線７２を形成した絶縁性基板７１の全面あるいは一
部に所望の形状で形成され、特に、Ｘ方向配線７２とＹ
方向配線７３の交差部の電位差に耐え得るように、膜
厚、材料、製法が適宜設定される。Ｘ方向配線７２とＹ
方向配線７３は、それぞれ外部端子として引き出されて
いる。

【０１０３】更に、前述と同様にして、表面伝導型電子
放出素子７４の対向する素子電極（不図示）が、ｍ本の
Ｘ方向配線７２（Ｄ_x1，Ｄ_x2，……，Ｄ_xm）とｎ本のＹ
方向配線７３（Ｄ_y1，Ｄ_y2，……，Ｄ_yn）と、真空蒸着
法、印刷法、スパッタ法等で形成された導電性金属等か
らなる結線７５によって電気的に接続されているもので
ある。

【０１０４】ここで、ｍ本のＸ方向配線７２とｎ本のＹ
方向配線７３と結線７５と対向する素子電極の導電性金
属は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であって
も、また夫々異なってもよく、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍ
ｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ等の金属あるい
は合金及びＰｄ、Ａｇ、Ａｕ、ＲｕＯ₂ 、Ｐｄ−Ａｇ等
の金属あるいは金属酸化物とガラス等から構成される印
刷導体、Ｉｎ₂ Ｏ₃ −ＳｎＯ₂ 等の透明導体及びポリシ
リコン等の半導体材料等より適宜選択される。また表面
伝導型電子放出素子は、絶縁性基板７１、あるいは、不
図示の層間絶縁層上どちらに形成してもよい。

【０１０５】また、詳しくは後述するが、前記Ｘ方向配
線７２には、Ｘ方向に配列する表面伝導型電子放出素子
７４の行を、入力信号に応じて走査するための走査信号
を印加する不図示の走査信号印加手段が電気的に接続さ
れ、一方、Ｙ方向配線７３には、Ｙ方向に配列する表面
伝導型電子放出素子７４の各列を、入力信号に応じて変
調するための変調信号を印加する不図示の変調信号発生
手段が電気的に接続される。表面伝導型電子放出素子の
各素子に印加される駆動電圧は、当該素子に印加される
走査信号と変調信号の差電圧として供給されるものであ
る。

【０１０６】次に、上記のような単純マトリクス配置の
電子源基板を用いた電子源、及び、表示等に用いる画像
形成装置について、図８と図９を用いて説明する。図８
は画像形成装置の基本構成図であり、図９は蛍光膜であ
る。

【０１０７】図８において、７１は電子放出素子を複数
配した電子源基板、８１は電子源基板７１を固定したリ
アプレート、８６はガラス基板８３の内面に蛍光膜８４
とメタルバック８５等が形成されたフェースプレートで
ある。８２は支持枠であり、該支持枠８２には、リアプ
レート８１、フェースプレート８６がフリットガラス等
を用いて接続されている。８８は外囲器であり、例えば
大気中あるいは窒素中で、４００〜５００℃の温度範囲
で１０分以上焼成することで、封着して構成される。

【０１０８】図８において、７４は、図１あるいは図２
に示された表面伝導型電子放出素子に相当する。７２，
７３は、表面伝導型電子放出素子の一対の素子電極と接
続されたＸ方向配線及びＹ方向配線である。また、これ
ら素子電極への配線は、素子電極と配線材料が同一であ
る場合は、素子電極と呼ぶ場合もある。

【０１０９】外囲器８８は、上述の如く、フェースプレ
ート８６、支持枠８２、リアプレート８１で構成され
る。リアプレート８１は主に基板７１の強度を補強する
目的で設けられるため、基板７１自体で十分な強度を持
つ場合は別体のリアプレート８１は不要とすることがで
きる。即ち、基板７１に直接支持枠８２を封着し、フェ
ースプレート８６、支持枠８２及び基板７１で外囲器８
８を構成してもよい。

【０１１０】図９は、蛍光膜である。蛍光膜８４は、モ
ノクロームの場合は蛍光体のみから成るが、カラーの蛍
光膜の場合は、蛍光体の配列によりブラックストライプ
（図９（ａ））あるいはブラックマトリクス（図９
（ｂ））等と呼ばれる黒色導電材９１と蛍光体９２とで
構成される。ブラックストライプ、ブラックマトリクス
が設けられる目的は、カラー表示の場合、必要となる三
原色蛍光体の各蛍光体９２間の塗り分け部を黒くするこ
とで混色等を目立たなくすることと、蛍光膜８４におけ
る外光反射によるコントラストの低下を抑制することで
ある。黒色導電材９１の材料としては、通常用いられて
いる黒鉛を主成分とする材料だけでなく、導電性があ
り、光の透過及び反射が少ない材料を用いることができ
る。

【０１１１】ガラス基板８３に蛍光体を塗布する方法
は、モノクローム、カラーによらず、沈澱法や印刷法等
が用いられる。

【０１１２】また、蛍光膜８４の内面側には、通常メタ
ルバック８５が設けられる。メタルバックの目的は、蛍
光体の発光のうち内面側への光をフェースプレート８６
側へ鏡面反射することにより輝度を向上させること、電
子ビーム加速電圧を印加するための電極として作用させ
ること、外囲器内で発生した負イオンの衝突によるダメ
ージから蛍光体を保護すること等である。メタルバック
は、蛍光膜作製後、蛍光膜の内面側表面の平滑化処理
（通常、フィルミングと呼ばれる。）を行い、その後Ａ
ｌを真空蒸着等で堆積することで作製できる。

【０１１３】フェースプレート８６には、更に蛍光膜８
４の導電性を高めるため、蛍光膜８４の外面側に透明電
極（不図示）を設けてもよい。

【０１１４】前述の封着を行う際、カラーの場合は各色
蛍光体と電子放出素子とを対応させる必要があり、十分
な位置合わせを行う必要がある。

【０１１５】外囲器８８は、不図示の排気管を通じ、
１．３×１０^-4Ｐａ程度の真空度にされ、外囲器８８の
封止が行われる。

【０１１６】尚、電子源基板は、前述した通りに電子放
出部を形成した図１あるいは図２の素子が、基板上に上
記の如く配置、配線されたものでも良いが、好ましくは
電子放出部形成前の素子、例えば図３（ｂ）に示された
状態の素子を、基板上に上記の如く配置、配線し、これ
を図８に示す外囲器８８内に配置した後、不図示の排気
管を通じ、例えば、ロータリーポンプ、ターボポンプを
ポンプ系とする様な通常の真空装置系で該外囲器内を
１．３×１０^-4Ｐａ程度の真空度とし、容器外端子Ｄ
_ox1 〜Ｄ_oxm とＤ_oy1 〜Ｄ_oyn を通じ素子電極２，３
（図３（ｂ））間に電圧を印加し、上述のフォーミング
を行い、次に、前記活性化処理を行うことにより電子放
出部５を形成して、電子源基板を作製する。

【０１１７】以上の様に作製の後、特には、その後、８
０℃〜１５０℃でベーキングを３〜１５時間行いなが
ら、例えば、イオンポンプ等をポンプ系とする超高真空
装置系に切り替える。超高真空系の切り替え、及びベー
キングは、前述の表面伝導型電子放出素子の素子電流Ｉ
_f 、放出電流Ｉ_e の単調増加特性（ＭＩ特性）を満足す
るためであり、その方法、条件はこれに限るものではな
い。また、外囲器８８の封止後の真空度を維持するため
に、ゲッター処理を行う場合もある。これは、外囲器８
８の封止を行う直前あるいは封止後に、抵抗加熱あるい
は高周波加熱等の加熱法により、外囲器８８内の所定の
位置に配置されたゲッター（不図示）を加熱し、蒸着膜
を形成する処理である。ゲッターは通常Ｂａ等が主成分
であり、該蒸着膜の吸着作用により、例えば１×１０^-5
Ｐａ以上の真空度を維持するものである。

【０１１８】以上により完成した本発明に係る画像表示
装置において、各電子放出素子には、容器外端子Ｄ_ox1
〜Ｄ_oxm とＤ_oy1 〜Ｄ_oyn を通じ電圧を印加することに
より、電子放出させ、高圧端子８７を通じ、メタルバッ
ク８５あるいは透明電極（不図示）に数ｋＶ以上の高圧
を印加し、電子ビームを加速し、蛍光膜８４に衝突さ
せ、励起・発光させることで画像を表示するものであ
る。

【０１１９】以上述べた構成は、表示等に用いられる好
適な画像形成装置を作製するうえで必要な概略構成であ
り、例えば各部材の材料等、詳細な部分は上述内容に限
られるものではなく、画像装置の用途に適するよう適宜
選択する。

【０１２０】次に、単純マトリクス配置の電子源を用い
て構成した表示パネルに、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に
基づいたテレビジョン表示を行う為の駆動回路の構成例
について、図１０を用いて説明する。

【０１２１】図１０中、１０１は表示パネル、１０２は
走査信号発生回路、１０３はタイミング制御回路、１０
４はシフトレジスタ、１０５はラインメモリ、１０６は
同期信号分離回路、１０７は変調信号発生回路、Ｖｘ及
びＶａは直流電圧源である。

【０１２２】表示パネル１０１は、端子Ｄ_ox1 乃至Ｄ
_oxm 、端子Ｄ_oy1 乃至Ｄ_oyn 及び高圧端子８７を介して
外部の電気回路と接続している。端子Ｄ_ox1 乃至Ｄ_oxm
には、表示パネル１０１内に設けられている電子源、即
ち、ｍ行ｎ列の行列状にマトリクス配線された表面伝導
型電子放出素子群を１行（ｎ素子）ずつ順次駆動する為
の走査信号が印加される。端子Ｄ_oy1 乃至Ｄ_oyn には、
前記走査信号により選択された１行の表面伝導型電子放
出素子の各素子の出力電子ビームを制御する為の変調信
号が印加される。高圧端子８７には、直流電圧源Ｖａよ
り、例えば１０ｋＶの直流電圧が供給されるが、これは
電子放出素子から放出される電子ビームに、蛍光体を励
起するのに十分なエネルギーを付与する為の加速電圧で
ある。

【０１２３】走査信号発生回路１０２は、内部にｍ個の
スイッチング素子（図中、Ｓ₁ 乃至Ｓ_m で模式的に示し
ている）を備えたものである。各スイッチング素子は、
直流電圧電源Ｖｘの出力電圧もしくは０Ｖ（グランドレ
ベル）のいずれか一方を選択し、表示パネル１０１の端
子Ｄ_ox1 乃至Ｄ_oxm と電気的に接続される。Ｓ₁ 乃至Ｓ
_m の各スイッチング素子は、制御回路１０３が出力する
制御信号Ｔ_scanに基づいて動作するものであり、例えば
ＦＥＴのようなスイッチング素子を組み合わせることに
より構成することができる。

【０１２４】直流電圧源Ｖｘは、本例の場合には表面伝
導型電子放出素子の特性（電子放出しきい値電圧）に基
づき、走査されていない素子に印加される駆動電圧が電
子放出しきい値電圧以下となるような一定電圧を出力す
るよう設定されている。

【０１２５】制御回路１０３は、外部より入力される画
像信号に基づいて適切な表示が行われるように、各部の
動作を整合させる機能を有する。制御回路１０３は、同
期信号分離回路１０６より送られる同期信号Ｔ_syncに基
づいて、各部に対してＴ_scan，Ｔ_sft 及びＴ_mry の各制
御信号を発生する。

【０１２６】同期信号分離回路１０６は、外部から入力
されるＮＴＳＣ方式のテレビ信号から、同期信号成分と
輝度信号成分とを分離するための回路で、一般的な周波
数分離（フィルター）回路等を用いて構成できる。同期
信号分離回路１０６により分離された同期信号は、垂直
同期信号と水平同期信号より成るが、ここでは説明の便
宜上Ｔ_sync信号として図示した。前記テレビ信号から分
離された画像の輝度信号成分は、便宜上ＤＡＴＡ信号と
表した。このＤＡＴＡ信号は、シフトレジスタ１０４に
入力される。

【０１２７】シフトレジスタ１０４は、時系列的にシリ
アルに入力される前記ＤＡＴＡ信号を、画像の１ライン
毎にシリアル／パラレル変換するためのもので、前記制
御回路１０３より送られる制御信号Ｔ_sft に基づいて動
作する（即ち、制御信号Ｔ_sft は、シフトレジスタ１０
４のシフトクロックであると言い換えてもよい。）。シ
リアル／パラレル変換された画像１ライン分のデータ
（電子放出素子ｎ素子分の駆動データに相当）は、Ｉ_d1
乃至Ｉ_dnのｎ個の並列信号として前記シフトレジスタ１
０４より出力される。

【０１２８】ラインメモリ１０５は、画像１ライン分の
データを必要時間の間だけ記憶する為の記憶装置であ
り、制御回路１０３より送られる制御信号Ｔ_mry に従っ
て適宜Ｉ_d1乃至Ｉ_dnの内容を記憶する。記憶された内容
は、Ｉ_d'1 乃至Ｉ_d'n として出力され、変調信号発生器
１０７に入力される。

【０１２９】変調信号発生器１０７は、画像データＩ
_d'1 乃至Ｉ_d'n の各々に応じて、電子放出素子の各々を
適切に駆動変調する為の信号源であり、その出力信号
は、端子Ｄ_oy1 乃至Ｄ_oyn を通じて表示パネル１０１内
の表面伝導型電子放出素子に印加される。

【０１３０】前述したように、本発明を適用可能な電子
放出素子は放出電流Ｉ_e に関して以下の基本特性を有し
ている。即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖ_thが
あり、Ｖ_th以上の電圧が印加された時のみ電子放出が生
じる。電子放出しきい値以上の電圧に対しては、素子へ
の印加電圧の変化に応じて放出電流も変化する。このこ
とから、本素子にパルス状の電圧を印加する場合、例え
ば電子放出しきい値電圧以下の電圧を印加しても電子放
出は生じないが、電子放出しきい値電圧以上の電圧を印
加する場合には電子ビームが出力される。その際、パル
スの波高値Ｖｍを変化させることにより、出力電子ビー
ムの強度を制御することが可能である。また、パルスの
幅Ｐｗを変化させることにより、出力される電子ビーム
の電荷の総量を制御することが可能である。従って、入
力信号に応じて電子放出素子を変調する方式としては、
電圧変調方式とパルス幅変調方式等が採用できる。

【０１３１】電圧変調方式を実施するに際しては、変調
信号発生器１０７としては、一定長さの電圧パルスを発
生し、入力されるデータに応じて適宜電圧パルスの波高
値を変調できるような電圧変調方式の回路を用いること
ができる。

【０１３２】パルス幅変調方式を実施するに際しては、
変調信号発生器１０７として、一定の波高値の電圧パル
スを発生し、入力されるデータに応じて適宜電圧パルス
の幅を変調するようなパルス幅変調方式の回路を用いる
ことができる。

【０１３３】シフトレジスタ１０４やラインメモリ１０
５は、デジタル信号式のものでもアナログ信号式のもの
でも採用できる。画像信号のシリアル／パラレル変換や
記憶が所定の速度で行なわれれば良いからである。

【０１３４】デジタル信号式を用いる場合には、同期信
号分離回路１０６の出力信号ＤＡＴＡをデジタル信号化
する必要があるが、これには同期信号分離回路１０６の
出力部にＡ／Ｄ変換器を設ければ良い。これに関連して
ラインメモリ１０５の出力信号がデジタル信号かアナロ
グ信号かにより、変調信号発生器１０７に用いられる回
路が若干異なったものとなる。即ち、デジタル信号を用
いた電圧変調方式の場合、変調信号発生器１０７には、
例えばＤ／Ａ変換回路を用い、必要に応じて増幅回路等
を付加する。パルス幅変調方式の場合、変調信号発生器
１０７には、例えば高速の発振器及び発振器の出力する
波数を計数する計数器（カウンタ）及び計数器の出力値
と前記メモリの出力値を比較する比較器（コンパレー
タ）を組み合わせた回路を用いる。必要に応じて、比較
器の出力するパルス幅変調された変調信号を電子放出素
子の駆動電圧にまで電圧増幅するための増幅器を付加す
ることもできる。

【０１３５】アナログ信号を用いた電圧変調方式の場
合、変調信号発生器１０７には、例えばオペアンプ等を
用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシフト
回路等を付加することもできる。パルス幅変調方式の場
合には、例えば電圧制御型発振回路（ＶＣＯ）を採用で
き、必要に応じて電子放出素子の駆動電圧にまで電圧増
幅するための増幅器を付加することもできる。

【０１３６】このような構成をとり得る本発明を適用可
能な画像形成装置においては、各電子放出素子に、容器
外端子Ｄ_ox1 乃至Ｄ_oxm 、Ｄ_oy1 乃至Ｄ_oyn を介して電
圧を印加することにより、電子放出が生じる。高圧端子
８７を介してメタルバック８５あるいは透明電極（不図
示）に高圧を印加し、電子ビームを加速する。加速され
た電子は、蛍光膜８４に衝突し、発光が生じて画像が形
成される。

【０１３７】ここで述べた画像形成装置の構成は、本発
明を適用可能な画像形成装置の一例であり、本発明の技
術思想に基づいて種々の変形が可能である。入力信号に
ついてはＮＴＳＣ方式を挙げたが、入力信号はこれに限
られるものではなく、ＰＡＬ、ＳＥＣＡＭ方式等の他、
これらよりも多数の走査線からなるＴＶ信号（例えば、
ＭＵＳＥ方式をはじめとする高品位ＴＶ）方式をも採用
できる。

【０１３８】次に、前述のはしご型配置の電子源及び画
像形成装置について、図１１及び図１２を用いて説明す
る。

【０１３９】図１１は、梯子型配置の電子源の一例を示
す模式図である。図１１中、１１０は電子源基板、１１
１は電子放出素子である。１１２は、電子放出素子１１
１を接続するための共通配線Ｄ_x1〜Ｄ_x10 であり、これ
らは外部端子として引き出されている。電子放出素子１
１１は、基板１１０上に、Ｘ方向に並列に複数個配置さ
れている（これを素子行と呼ぶ）。この素子行が複数個
配置されて、電子源を構成している。各素子行の共通配
線間に駆動電圧を印加することで、各素子行を独立に駆
動させることができる。即ち、電子ビームを放出させた
い素子行には、電子放出しきい値以上の電圧を印加し、
電子ビームを放出させたくない素子行には、電子放出し
きい値以下の電圧を印加する。各素子行間に位置する共
通配線Ｄ_x2〜Ｄ_x9は、例えばＤ_x2とＤ_x3、Ｄ_x4とＤ_x5、
Ｄ_x6とＤ_x7、Ｄ_x8とＤ_x9とを夫々一体の同一配線とする
こともできる。

【０１４０】図１２は、はしご型配置の電子源を備えた
画像形成装置におけるパネル構造の一例を示す模式図で
ある。１２０はグリッド電極、１２１は電子が通過する
ための開口、Ｄ_ox1 乃至Ｄ_oxm は容器外端子、Ｇ₁ 乃至
Ｇ_n はグリッド電極１２０と接続された容器外端子であ
る。１１０は各素子行間の共通配線を同一配線とした電
子源基板である。図１２においては、図８、図１１に示
した部位と同じ部位には、これらの図に付したのと同一
の符号を付している。ここに示した画像形成装置と、図
８に示した単純マトリクス配置の画像形成装置との大き
な違いは、電子源基板１１０とフェースプレート８６の
間にグリッド電極１２０を備えているか否かである。

【０１４１】図１２においては、基板１１０とフェース
プレート８６の間には、グリッド電極１２０が設けられ
ている。グリッド電極１２０は、電子放出素子１１１か
ら放出された電子ビームを変調するためのものであり、
はしご型配置の素子行と直交して設けられたストライプ
状の電極に電子ビームを通過させるため、各素子に対応
して１個ずつ円形の開口１２１が設けられている。グリ
ッド電極の形状や配置位置は、図１２に示したものに限
定されるものではない。例えば、開口としてメッシュ状
に多数の通過口を設けることもでき、グリッド電極を電
子放出素子の周囲や近傍に設けることもできる。

【０１４２】容器外端子Ｄ_ox1 乃至Ｄ_oxm 及びグリッド
容器外端子Ｇ₁ 乃至Ｇ_n は、不図示の制御回路と電気的
に接続されている。

【０１４３】本例の画像形成装置では、素子行を１列ず
つ順次駆動（走査）して行くのと同期してグリッド電極
列に画像１ライン分の変調信号を同時に印加する。これ
により、各電子ビームの蛍光体への照射を制御し、画像
を１ラインずつ表示することができる。

【０１４４】以上説明した本発明を適用可能な画像形成
装置は、テレビジョン放送の表示装置、テレビ会議シス
テムやコンピューター等の表示装置の他、感光性ドラム
等を用いて構成された光プリンターとしての画像形成装
置等としても用いることができる。

【０１４５】

【実施例】以下に、具体的な実施例を挙げて本発明を説
明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はなく、本発明の目的が達成される範囲内での各要素の
置換や設計変更がなされたものをも包含する。

【０１４６】［実施例１］本実施例に係る電子放出素子
の基本的な構成は、図１と同様である。

【０１４７】本実施例の電子放出素子の製造法は、基本
的には図３と同様である。以下、図１及び図３を用い
て、本実施例における電子放出素子の製造方法を順をお
って説明する。

【０１４８】工程−ａ 基板１上に、素子電極パターンに対応する開口部を有す
るホトレジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１／日立化成社
製）のマスクパターンを形成し、真空蒸着法により、厚
さ５ｎｍのＴｉ、厚さ３０ｎｍのＰｔを順次堆積した。
ホトレジストパターンを有機溶剤で溶解し、Ｐｔ／Ｔｉ
堆積膜をリフトオフして、素子電極２，３を形成した
（図３（ａ））。素子電極の間隔Ｌは３μｍ、素子電極
の幅Ｗは３００μｍである。

【０１４９】工程−ｂ 素子電極間ギャップ及びこの近傍に開口を有するマスク
により膜厚１００ｎｍのＣｒ膜を真空蒸着により堆積・
パターニングし、その上に有機Ｐｄ（ｃｃｐ４２３０／
奥野製薬（株）製）をスピンナーにより回転塗布、３５
０℃で１２分間の加熱焼成処理をした。また、こうして
形成された主元素としてＰｄよりなる微粒子からなる導
電性膜４の膜厚は１０ｎｍ、シート抵抗値は２×１０⁴
Ω／□であった。なおここで述べる微粒子膜とは、上述
したように、複数の微粒子が集合した膜であり、その微
細構造として、微粒子が個々に分散配置した状態のみな
らず、微粒子が互いに隣接、あるいは、重なり合った状
態（島状も含む）の膜を指し、その粒径とは、前記状態
で粒子形状が認識可能な微粒子についての径を言う。

【０１５０】工程−ｃ Ｃｒ膜及び焼成後の導電性膜４を酸エッチャントにより
エッチングして、所望のパターンを有する導電性膜４を
形成した（図３（ｂ））。

【０１５１】以上の工程により、基板１上に、素子電極
２，３及び導電性膜４を形成した。

【０１５２】工程−ｅ 次に、上記素子を図５に示す測定評価装置に設置し、真
空装置５５内を排気ポンプ５６にて排気し、２．７×１
０^-4Ｐａの真空度に達した後、電源５１より、素子の素
子電極２，３間に電圧を印加し、フォーミング処理を行
い導電性膜４の一部に間隙６を形成した（図３
（ｃ））。フォーミング処理の電圧波形は図４（ｂ）に
示したものである。

【０１５３】図４（ｂ）中、Ｔ₁ 及びＴ₂ は電圧波形の
パルス幅とパルス間隔であり、本実施例ではＴ₁ を１ｍ
ｓｅｃ．、Ｔ₂ を１０ｍｓｅｃ．とし、三角波の波高値
（フォーミング時のピーク電圧）は０．１Ｖステップで
昇圧し、フォーミング処理を行った。また、フォーミン
グ処理中は、同時に、０．１Ｖの電圧で、Ｔ₂ 間に抵抗
測定パルスを挿入し、抵抗を測定した。尚、フォーミン
グ処理の終了は、抵抗測定パルスでの測定値が、約１Ｍ
Ω以上になった時とし、同時に、素子への電圧の印加を
終了した。

【０１５４】工程−ｆ 続いて、活性化工程を行った。窒素ガスボンベ５７及び
炭化水素ガスボンベ５８に接続した不図示のマスフロー
コントローラを調節して所望の流量のガスが流れるよう
にした後、バルブ５９を開いて真空装置５５内に混合ガ
スを導入した。一方で、ポンプ５６を用いて排気は継続
し、排気口のコンダクタンス及びガス流量を調節するこ
とで全圧を調整し、真空計６０に示される値を読み取っ
た。この時、窒素および炭化水素の分圧は、マスフロー
コントローラのそれぞれの流量値と真空計６０で示され
る全圧とから決定できる。なお、本実施例では炭化水素
としてエチレンを使用し、エチレンの分圧を２７Ｐａ
に、基板温度を１００℃にそれぞれ固定して、窒素の分
圧を表１のように変化させてサンプルを作成した。サン
プル中には、比較のために窒素を含まない雰囲気中で作
成した素子（窒素を含有しない素子）も含まれている。

【０１５５】一定時間が経過して、ガス流量および全圧
が安定した後、フォーミング処理した素子に、矩形波の
波高値１５Ｖで通電印加し、活性化処理を施し間隙６内
の基板上及び、導電性膜４上に炭素を有する膜１０を形
成した（図３（ｄ））。すなわち、測定評価装置内で、
素子電流Ｉ_f を測定しながら、素子電極間にパルス電圧
を印加した。約３０分でＩ_f 値がほぼ飽和したため、通
電を停止し、バルブを閉め、活性化処理を終了した。

【０１５６】その後、炭素を有する膜１０中の窒素含有
量を測定するために、オージェ電子分光法（Ａｕｇｅ
ｒ）にてＮ（窒素）／Ｃ（炭素）の値を測定した。この
時の窒素含有量を表１に示す。なお、Ａｕｇｅｒでの測
定では、真空中で、２００℃ベーキング後測定した。こ
れは、大気中で暴露したことにより大気成分の吸着や水
分の影響を避けるためである。

【０１５７】

【表１】

【０１５８】工程−ｇ 続いて、これらの素子を図５の真空装置に再度入れ、安
定化工程を行った。素子のベーキングを２５０℃１０時
間ほど施し、真空装置５５内に有機成分が残留しない雰
囲気とし、安定化工程終了とした。

【０１５９】こうして、窒素分圧を変えて作製した６種
類の電子放出素子の電子放出特性を評価した。尚、アノ
ード電極５４と電子放出素子間の距離Ｈを４ｍｍ、アノ
ード電極の電位を１ｋＶ、電子放出特性測定時の真空装
置５５内の真空度を２．７×１０^-8Ｐａとし、素子電極
２及び素子電極３の間に素子電圧を１５Ｖを印加した。
この時の各電子放出素子の効率を表２に示す。

【０１６０】

【表２】

【０１６１】以上より、本実施例において、窒素および
エチレンからなる混合ガス中で活性化処理を行うと、窒
素を含有する炭素を有する膜が得られ、窒素含有量によ
って電子放出効率が変化することが判る。

【０１６２】窒素を混合しない素子（すなわち窒素が含
有されない素子）、および窒素の分圧が８．０×１０⁴
Ｐａ以上の素子では、高い効率が得られず、高効率を与
える窒素含有量には適切な範囲が存在する。また、この
範囲中では、窒素含有量は窒素の分圧によって制御され
ている。

【０１６３】このために、安定性に優れ、かつ高効率で
ある活性化条件としては、窒素分圧が１．３×１０¹ Ｐ
ａ〜６．７×１０⁴ Ｐａの範囲のエチレンと窒素の混合
雰囲気中で活性化することが適正であることが明らかに
なった。

【０１６４】以上より、本実施例の素子は、比較用素子
（窒素無包含素子）に比べて、電子放出効率の高い、安
定性の良い電子放出素子であることがわかる。

【０１６５】［実施例２］本実施例では前記工程−ｅま
で実施例１と同様の工程を行った。

【０１６６】工程−ｆ 工程−ｅのフォーミング処理に続いて、活性化処理を行
った。窒素ガスボンベ５７及び炭化水素ガスボンベ５８
に接続した不図示のマスフローコントローラを調節して
所望の流量のガスが流れるようにした後、バルブ５９を
開いて真空装置５５内に混合ガスを導入した。一方で、
ポンプ５６を用いて排気は継続し、排気口のコンダクタ
ンス及びガス流量を調節することで全圧を調整し、真空
計６０に示される値を読み取った。本実施例では炭化水
素としてエチレンを使用し、窒素の分圧を１．３×１０
⁴ Ｐａに、基板温度を１００℃にそれぞれ固定して、エ
チレンの分圧を表３のように変化させてサンプルを作成
した。

【０１６７】一定時間が経過して、ガス流量および全圧
が安定した後、フォーミング処理した素子に、矩形波の
波高値１５Ｖで通電印加し、活性化処理を施した。すな
わち、測定評価装置内で、素子電流Ｉ_f を測定しなが
ら、素子電極間にパルス電圧を印加した。約３０分でＩ
_f 値がほぼ飽和したため、通電を停止し、バルブを閉
め、活性化処理を終了した。

【０１６８】その後、活性化により堆積した炭素を有す
る膜中の窒素含有量を測定するために、オージェ電子分
光法（Ａｕｇｅｒ）にてＮ／Ｃの値を測定した。この時
の窒素含有量を表３に示す。なお、Ａｕｇｅｒでの測定
では、真空中で、２００℃ベーキング後測定した。これ
は、大気中で暴露したことにより大気成分の吸着や水分
の影響を避けるためである。

【０１６９】

【表３】

【０１７０】工程−ｇ 続いて、これらの素子を図５の真空装置に再度入れ、安
定化工程を行った。素子のベーキングを２５０℃１０時
間ほど施し、真空装置５５内に有機成分が残留しない雰
囲気とし、安定化工程終了とした。

【０１７１】こうして、エチレンの分圧を変えて作製し
た６種類の電子放出素子の電子放出特性を評価した。
尚、アノード電極５４と電子放出素子間の距離Ｈを４ｍ
ｍ、アノード電極の電位を１ｋＶ、電子放出特性測定時
の真空装置５５内の真空度を２．７×１０^-8Ｐａとし、
素子電極２及び素子電極３の間に素子電圧を１５Ｖを印
加した。この時の各電子放出素子の効率を表４に示す。

【０１７２】

【表４】

【０１７３】以上より、エチレンの分圧により電子放出
効率が変化することがわかった。なお、表４より明らか
なように、活性化に適切なエチレンの分圧が存在する。
これは、分圧が低過ぎると、炭素を有する膜の堆積が少
ないためで、表４においてエチレン分圧が１．３Ｐａの
場合がこれに相当すると考えている。

【０１７４】本実施例において、窒素およびエチレンか
らなる混合ガス中で活性化処理を行うと、窒素を含有す
る炭素を有する膜が得られ、エチレンの分圧によって電
子放出効率が変化し、分圧６．７Ｐａ〜１．３×１０²
Ｐａの範囲が最も適正な分圧であることが判る。

【０１７５】また、炭化水素としてプロピレンを用いた
場合には、エチレンを用いた場合と同様、分圧によって
電子放出効率が変化し、その適正範囲は２．７Ｐａ〜
１．１×１０² Ｐａであった。これは、プロピレンがエ
チレンに比べて反応性が高く（電離電圧が低い）、より
低い分圧でもプロピレンの分解が十分に進行するためと
考えている。

【０１７６】さらに、炭化水素としてブテンを用いた場
合には、エチレンやプロピレンを用いた場合と同様、分
圧によって電子放出効率が変化し、その適正範囲は１．
３Ｐａ〜８０Ｐａであった。これは、ブテンがエチレン
やプロピレンに比べて反応性が高く、より低い分圧でも
ブテンの分解が十分に進行するためと考えている。

【０１７７】以上のように、炭化水素と窒素の混合雰囲
気中で活性化を行う場合には、炭化水素に適正な分圧が
存在し、その範囲は、使用する炭化水素の種類にもよる
が、概ね１．３Ｐａ〜１．３×１０² Ｐａの範囲内であ
る。

【０１７８】［実施例３］本実施例では前記工程−ｅま
で実施例１と同様の工程を行った。

【０１７９】工程−ｆ 工程−ｅのフォーミング処理に続いて、活性化処理を行
った。窒素ガスボンベ５７及び炭化水素ガスボンベ５８
に接続した不図示のマスフローコントローラを調節して
所望の流量のガスが流れるようにした後、バルブ５９を
開いて真空装置５５内に混合ガスを導入した。一方で、
ポンプ５６を用いて排気は継続し、排気口のコンダクタ
ンス及びガス流量を調節することで全圧を調整し、真空
計６０に示される値を読み取った。本実施例では炭化水
素としてエチレンを使用し、窒素の分圧を１．３×１０
⁴ Ｐａに、エチレンの分圧を２７Ｐａに固定し、基板温
度を表５のように変化させてサンプルを作成した。

【０１８０】一定時間が経過して、ガス流量および全圧
が安定した後、フォーミング処理した素子に、矩形波の
波高値１５Ｖで通電印加し、活性化処理を施した。すな
わち、測定評価装置内で、素子電流Ｉ_f を測定しなが
ら、素子電極間にパルス電圧を印加した。約３０分でＩ
_f 値がほぼ飽和したため、通電を停止し、バルブを閉
め、活性化処理を終了した。

【０１８１】その後、活性化により堆積した炭素を有す
る膜１０中の窒素含有量を測定するために、オージェ電
子分光法（Ａｕｇｅｒ）にてＮ／Ｃの値を測定した。こ
の時の窒素含有量を表５に示す。なお、Ａｕｇｅｒでの
測定では、真空中で、２００℃ベーキング後測定した。
これは、大気中で暴露したことにより大気成分の吸着や
水分の影響を避けるためである。

【０１８２】

【表５】

【０１８３】工程−ｇ 続いて、これらの素子を図５の真空装置に再度入れ、安
定化工程を行った。素子のベーキングを２５０℃１０時
間ほど施し、真空装置５５内に有機成分が残留しない雰
囲気とし、安定化工程終了とした。

【０１８４】こうして、基板温度を変えて作製した６種
類の電子放出素子の電子放出特性を評価した。尚、アノ
ード電極５４と電子放出素子間の距離Ｈを４ｍｍ、アノ
ード電極の電位を１ｋＶ、電子放出特性測定時の真空装
置５５内の真空度を２．７×１０^-8Ｐａとし、素子電極
２及び素子電極３の間に素子電圧を１５Ｖを印加した。
この時の各電子放出素子の効率を表６に示す。

【０１８５】

【表６】

【０１８６】以上より、基板温度により電子放出効率が
変化することがわかった。なお、表６より明らかなよう
に、活性化に適切な基板温度が存在する。これは、基板
温度が低過ぎると、エチレンの分解が十分になされず、
従って炭素を有する膜の堆積が少ないためで、表６にお
いて基板温度が２５℃（室温）の場合がこれに相当する
と考えている。

【０１８７】本実施例において、窒素およびエチレンか
らなる混合ガス中で活性化処理を行うと、窒素を含有す
る炭素が得られ、基板温度によって電子放出効率が変化
し、基板温度５０℃〜２００℃の範囲が最も適正な基板
温度であることが判る。

【０１８８】また、炭化水素としてプロピレン、あるい
はブテンを用いた場合にも適正な基板温度範囲が認めら
れたが、概ねエチレンを用いた場合と同様の傾向であっ
た。

【０１８９】以上のように、炭化水素と窒素の混合雰囲
気中で活性化を行う場合には、適正な基板温度範囲が存
在し、その範囲は、概ね５０℃〜２００℃の範囲内であ
る。

【０１９０】［実施例４］本実施例は、多数の表面伝導
型電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源を用い
て、画像形成装置を作製した例である。

【０１９１】複数の導電性膜がマトリクス配線された電
子源基板の一部の平面図を図１３に示す。また、図中の
Ａ−Ａ’断面図を図１４に示す。但し、図１３、図１４
で同じ符号で示したものは、同じものを示す。ここで７
１は基板、２と３は素子電極、４は導電性膜である。７
２は図７のＤ_xmに対応するＸ方向配線（下配線とも呼
ぶ）、７３は図７のＤ_ynに対応するＹ方向配線（上配線
とも呼ぶ）、１５１は層間絶縁層、１５２は素子電極２
と下配線７２との電気的接続のためのコンタクトホール
である。

【０１９２】先ず、本実施例の電子源基板の製造方法
を、図１５及び図１６を用いて工程順に説明する。

【０１９３】工程−ａ 清浄化した青板ガラス上に厚さ０．５μｍのシリコン酸
化膜をスパッタ法で形成した基板７１上に、真空蒸着法
により、厚さ５ｎｍのＣｒ、厚さ６００ｎｍのＡｕを順
次積層した後、ホトレジスト（ＡＺ１３７０／ヘキスト
社製）をスピンナーにより回転塗布、ベークした後、ホ
トマスク像を露光、現像して、下配線７２のレジストパ
ターンを形成し、Ａｕ／Ｃｒ堆積膜をウエットエッチン
グして、所望の形状の下配線７２を形成した（図１５
（ａ））。

【０１９４】工程−ｂ 次に、厚さ１μｍのシリコン酸化膜よりなる層間絶縁層
１５１をスパッタリングにより堆積した（図１５
（ｂ））。

【０１９５】工程−ｃ 工程−ｂで堆積したシリコン酸化膜にコンタクトホール
１５２を形成するためのホトレジストパターンを作り、
これをマスクとして層間絶縁層１５１をエッチングして
コンタクトホール１５２を形成した（図１５（ｃ））。

【０１９６】工程−ｄ その後、素子電極２，３と素子電極間ギャップＬとなる
べきパターンをホトレジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１
／日立化成社製）で形成し、真空蒸着法により、厚さ５
ｎｍのＴｉ、厚さ１００ｎｍのＮｉを順次堆積した。ホ
トレジストパターンを有機溶剤で溶解し、Ｎｉ／Ｔｉ堆
積膜をリフトオフし、素子電極間隔Ｌが３μｍ、素子電
極の幅Ｗが３００μｍの素子電極２，３を形成した（図
１５（ｄ））。

【０１９７】工程−ｅ 素子電極２，３の上に上配線７３のホトレジストパター
ンを形成した後、厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ５００ｎｍの
Ａｕを順次真空蒸着により堆積し、リフトオフにより不
要の部分を除去して、所望の形状の上配線７３を形成し
た（図１６（ｅ））。

【０１９８】工程−ｆ 膜厚１００ｎｍのＣｒ膜を真空蒸着により堆積後、導電
性膜４の形状の開口部を有するようにパターニングし、
この上に有機Ｐｄ（ｃｃｐ４２３０／奥野製薬（株）
製）をスピンナーにより回転塗布、３００℃で１０分間
の加熱焼成処理をした。こうして形成された主元素とし
てＰｄよりなる微粒子からなる導電性膜の膜厚は１０ｎ
ｍ、シート抵抗値は２×１０⁴ Ω／□であった。続い
て、上記Ｃｒ膜及び焼成後の導電性膜を酸エッチャント
によりエッチングして導電性膜の不要部分とともに除去
し、所望の形状の導電性膜４を形成した（図１６
（ｆ））。

【０１９９】工程−ｇ コンタクトホール１５２部分に開口を有するレジストパ
ターンを形成し、真空蒸着により厚さ５ｎｍのＴｉ、厚
さ５００ｎｍのＡｕを順次堆積した。リフトオフにより
不要な部分を除去することにより、コンタクトホール１
５２を埋め込んだ（図１６（ｇ））。

【０２００】以上の工程により、絶縁性基板７１上に下
配線７２、層間絶縁層１５１、上配線７３、素子電極
２，３、導電性膜４を形成した。

【０２０１】工程−ｈ 次に、上記電子源基板を図５に示す測定評価装置に設置
し、真空装置５５内を排気ポンプ５６にて排気し、十分
な真空度に達した後、図１３に示すＤ_x1とＤ_y1を通じ電
子放出素子７４の素子電極２，３間に電圧を印加し、導
電性膜４をフォーミング処理した。尚、フォーミング処
理の際は、Ｄ_x1からＤ_xmまで、順次パルス波形が入るよ
うになっている。また、Ｄ_y1からＤ_ynまでは接地してあ
る。このフォーミング処理の電圧波形は図４（ｂ）と同
様であり、本実施例ではＴ₁ を１ｍｓｅｃ．、Ｔ₂ を１
０ｍｓｅｃ．とし、約１．３×１０^-4Ｐａの真空雰囲気
下で行った。

【０２０２】このようにして形成された電子放出部５
は、パラジウム元素を主成分とする微粒子が分散配置さ
れた状態となり、その微粒子の平均粒径は３ｎｍであっ
た。

【０２０３】工程−ｉ 次に、真空装置５５内を一度排気した後、基板温度を１
００℃に設定し、窒素ガスボンベ５７及び炭化水素ガス
ボンベ５８に接続した不図示のマスフローコントローラ
を調節して所望の流量のガスが流れるようにし、バルブ
５９を開いて真空装置５５内に混合ガスを導入した。一
方で、ポンプ５６を用いて排気は継続し、排気口のコン
ダクタンス及びガス流量を調節することで全圧を調整
し、真空計６０に示される値を読み取った。本実施例で
は、炭化水素としてエチレンを使用し、この時、全圧
（ほぼ窒素の分圧に等しい）は１．３×１０⁴ Ｐａ、エ
チレンの分圧は２７Ｐａに設定した。

【０２０４】一定時間が経過して、ガス流量および全圧
が安定した後、フォーミング処理した素子に、矩形波の
波高値１５Ｖで通電印加し、活性化処理を施した。すな
わち、測定評価装置内で、素子電流Ｉ_f を測定しなが
ら、素子電極間にパルス電圧を印加した。約３０分でＩ
_f 値がほぼ飽和したため、通電を停止し、バルブを閉
め、活性化処理を終了した。

【０２０５】こうして基板上に並ぶ多数の素子に間隙６
を形成し、さらに窒素を含有する炭素を有する膜を形成
した。これを電子源基板７１とし、図８に示す画像形成
装置を次のように作製した。

【０２０６】電子源基板７１をリアプレート８１上に固
定した後、電子源基板７１の５ｍｍ上方に、フェースプ
レート８６（ガラス基板８３の内面に蛍光膜８４とメタ
ルバック８５が形成されて構成される）を支持枠８２を
介して配置し、フェースプレート８６、支持枠８２、リ
アプレート８１の接合部にフリットガラスを塗布し、大
気中で４００℃で１０分間焼成することで封着し、パネ
ル（図８中の外囲器８８）を構成した。なお、リアプレ
ート８１への電子源基板７１の固定もフリットガラスで
行った。

【０２０７】蛍光膜８４は、ストライプ形状（図９
（ａ）参照）の蛍光体とし、先にブラックストライプを
形成し、その間隙部にスラリー法により各色蛍光体９２
を塗布して蛍光膜８４を作製した。ブラックストライプ
の材料としては、通常よく用いられている黒鉛を主成分
とする材料を用いた。

【０２０８】また、蛍光膜８４の内面側にはメタルバッ
ク８５を設けた。メタルバック８５は、蛍光膜８４の作
製後、蛍光膜８４の内面側表面の平滑化処理（通常、フ
ィルミングと呼ばれる）を行い、その後、Ａｌを真空蒸
着することで作製した。

【０２０９】フェースプレート８６には、更に蛍光膜８
４の導電性を高めるため、蛍光膜８４の外面側に透明電
極を設ける場合もあるが、本実施例ではメタルバック８
５のみで十分な導電性が得られたので省略した。

【０２１０】前述の封着を行う際、カラーの場合は各色
蛍光体９２と電子放出素子とを対応させなくてはいけな
いため、十分な位置合わせを行った。

【０２１１】こうして作製された、電子源を擁する外囲
器は、安定化処理を行うために１．３×１０^-4Ｐａ程度
の真空度まで排気し、３００℃２０時間の真空ベーキン
グを行った。

【０２１２】次に、室温まで冷却し、その後、不図示の
排気管をガスバーナーで熱することで溶着し外囲器の封
止を行った。

【０２１３】最後に、封止後の真空度を維持するため
に、高周波加熱法でゲッター（不図示）を飛散させ、外
囲器内の真空度の維持を図った。

【０２１４】以上のように完成した本実施例の画像表示
装置において、各電子放出素子には、容器外端子Ｄ_ox1
乃至Ｄ_oxm とＤ_oy1 乃至Ｄ_oyn を通じて、走査信号及び
変調信号を不図示の信号発生手段より夫々印加すること
により、電子放出させ、高圧端子８７を通じてメタルバ
ック８５に５ｋＶ以上の高圧を印加し、電子ビームを加
速し、蛍光膜８４に衝突させ、励起・発光させることで
画像を表示した。

【０２１５】その結果、本実施例の画像形成装置は、テ
レビジョンとして十分満足できる輝度（約１８０ｆＬ）
で良好な画像を長期にわたって安定に表示することがで
きた。

【０２１６】［実施例５］本実施例では、実施例４で作
製した画像表示装置を、図１０に示した駆動回路を用い
て、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示を行った。

【０２１７】本表示装置においては、とりわけ表面伝導
型電子放出素子を電子ビーム源とするディスプレイパネ
ルの薄型化が容易であるため、表示装置の奥行きを小さ
くすることができる。それに加えて、表面伝導型電子放
出素子を電子ビーム源とするディスプレイパネルは大面
積化が容易で輝度が高く視野角特性にも優れるため、本
表示装置は臨場感にあふれ迫力に富んだ画像を視認性良
く表示することが可能である。

【０２１８】本実施例における表示装置は、ＮＴＳＣ方
式のテレビ信号に応じたテレビ画像を良好に、かつ長時
間安定して表示することができた。

【０２１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
炭化水素と窒素から構成される混合気体中で、間隙が形
成された導電性膜に電圧印加することで、間隙内の基板
上及びその近傍の導電性膜上に窒素を含有する炭素を有
する膜が堆積し、高効率な電子放出素子を提供すること
ができる。

【０２２０】また、活性化時の混合ガスの圧力を、該混
合ガスが粘性流気体として扱える程度にしたことによっ
て、必要なガスを速やかに供給することができる。ま
た、高真空の排気系を用いることなく、活性化を行える
ので、生産コストを低く抑えることができる。

【０２２１】また、基板上に複数個配置して電子源を構
成した場合においては、各電子放出素子が、良好な電子
放出特性を長時間にわたり保持し得る電子源を提供でき
る。

【０２２２】さらに、画像形成装置においては、上記の
電子源と画像形成部材より構成され、入力信号に基づい
て画像を形成するため、電子放出特性の安定性と寿命の
向上がなされ、例えば蛍光体を画像形成部材とする画像
形成装置においては、高品位な画像形成装置、例えばカ
ラーフラットテレビが実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子の
一構成例を示す模式図である。

【図２】本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子の
別の構成例を示す模式図である。

【図３】本発明の電子放出素子の製造方法を説明するた
めの図である。

【図４】本発明の電子放出素子の製造に際して採用でき
る通電フォーミング処理における電圧波形の一例を示す
模式図である。

【図５】本発明の電子放出素子の製造に用いることので
きる測定評価装置の一例を示す概略構成図である。

【図６】本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子の
特性を示す図である。

【図７】本発明を適用可能な単純マトリクス配置の電子
源の一例を示す模式図である。

【図８】本発明を適用可能な画像形成装置の表示パネル
の一例を示す模式図である。

【図９】蛍光膜の一例を示す模式図である。

【図１０】画像形成装置にＮＴＳＣ方式のテレビ信号に
応じて表示を行うための駆動回路の一例を示すブロック
図である。

【図１１】本発明を適用可能なはしご型配置の電子源の
一例を示す模式図である。

【図１２】本発明を適用可能な画像形成装置の表示パネ
ルの別の例を示す模式図である。

【図１３】本発明の実施例に係るマトリクス配線した電
子源の一部を示す模式図である。

【図１４】図１３のＡ−Ａ’断面模式図である。

【図１５】本発明の実施例に係るマトリクス配線した電
子源の製造工程を示す図である。

【図１６】本発明の実施例に係るマトリクス配線した電
子源の製造工程を示す図である。

【図１７】従来例の表面伝導型電子放出素子の模式図で
ある。

【符号の説明】

１ 基板 ２，３ 素子電極 ４ 導電性膜 ５ 電子放出部 ２１ 段差形成部 ５０ 素子電流Ｉ_f を測定するための電流計 ５１ 電子放出素子に素子電圧Ｖ_f を印加するための電
源 ５２ 電子放出部５より放出される放出電流Ｉ_e を測定
するための電流計 ５３ アノード電極５４に電圧を印加するための高圧電
源 ５４ アノード電極 ５５ 真空容器 ５６ 排気ポンプ ５７ 窒素ガスボンベ ５８ 炭化水素ガスボンベ ５９ バルブ ６０ 真空計 ７１ 電子源基板 ７２ Ｘ方向配線 ７３ Ｙ方向配線 ７４ 電子放出素子 ７５ 結線 ８１ リアプレート ８２ 支持枠 ８３ ガラス基板 ８４ 蛍光膜 ８５ メタルバック ８６ フェースプレート ８７ 高圧端子 ８８ 外囲器 ９１ 黒色導電材 ９２ 蛍光体 １０１ 表示パネル １０２ 走査回路 １０３ 制御回路 １０４ シフトレジスタ １０５ ラインメモリ １０６ 同期信号分離回路 １０７ 変調信号発生器 Ｖｘ，Ｖａ 直流電圧源 １１０ 電子源基板 １１１ 電子放出素子 １１２ 電子放出素子を配線するための共通配線 １２０ グリッド電極 １２１ 電子が通過するための開口 １５１ 層間絶縁層 １５２ コンタクトホール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 敬介 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 上野 理恵 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 5C031 DD09 DD17 DD19

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体上に形成された一対の電極間を接続
   する導電性膜の一部に間隙を形成する工程と、該間隙内
   の該基体上および、該導電性膜上に炭素を有する膜を形
   成する工程とを有し、 該炭素を有する膜を形成する工程が、 炭化水素ガスと、窒素ガスとを含むガスを前記間隙に接
   触させた状態で、前記基体を加熱しながら前記一対の電
   極間に電圧を印加する工程である、ことを特徴とする電
   子放出素子の製造方法。
2. 【請求項２】 前記炭化水素ガスと窒素ガスとを含むガ
   スの全圧が、１．３×１０¹ 〜６．７×１０⁴ Ｐａであ
   り、前記炭化水素の分圧が、１．３×１０⁰〜１．３×
   １０² Ｐａであることを特徴とする請求項１に記載の電
   子放出素子の製造方法。
3. 【請求項３】 前記基体を加熱する温度が、５０℃〜２
   ００℃であることを特徴とする請求項１または２に記載
   の電子放出素子の製造方法。
4. 【請求項４】 基体上に電子放出素子を複数配列形成し
   た電子源の製造方法において、該電子放出素子を請求項
   １乃至３のいずれかに記載の製造方法により製造するこ
   とを特徴とする電子源の製造方法。
5. 【請求項５】 電子源と、画像形成部材とを有する画像
   形成装置の製造方法において、該電子源を請求項４に記
   載の製造方法により製造することを特徴とする画像形成
   装置の製造方法。