JP2000243293A

JP2000243293A - 電子源製造装置、電子源製造方法および電子源

Info

Publication number: JP2000243293A
Application number: JP4599999A
Authority: JP
Inventors: Akira Fujii; 明藤井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-02-24
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 2000-09-08

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】電子源の放出電流の経時的減少と不安定性を
押さえる。【解決手段】電子放出素子からの電子放出を伴う電圧
範囲における電流Ｉと電圧Ｖとの関係をなる関数で表現し、ｆ’（Ｖ）を電圧Ｖにおけるｆ
（Ｖ）の微係数とする時、予めＶ１なる予備駆動電圧で
駆動を行った後に、となる電圧Ｖ２にて通常の駆動を行うために、複数の電
子放出素子を行方向配線および列方向配線によりマトリ
ックス状に基板上に並べた電子源の全素子に前記予備駆
動電圧Ｖ１を印加する際、前記電子源の行方向配線から
電子放出素子に電圧Ｖ１を印加するとともに、各電子放
出素子に印加される電圧Ｖ１の極性を所定時点において
少なくとも１回以上反転させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子を多
数個備える電子源の製造装置および製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、電子放出素子として熱陰極素
子と冷陰極素子の２種類が知られている。このうち冷陰
極素子では、例えば電界放出型素子（以下ＦＥ型と記
す）や、金属／絶縁層／金属型放出素子（以下ＭＩＭ型
と記す）や、表面伝導型放出素子などが知られている。

【０００３】ＦＥ型の例としては、例えば、Ｗ．Ｐ．Ｄ
ｙｋｅ＆Ｗ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ，”Ｆｉｅｌｄｅｍ
ｉｓｓｉｏｎ”，ＡｄｖａｎｃｅｉｎＥｌｅｃｔｒ
ｏｎＰｈｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）や、あるい
は、Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，”Ｐｈｙｓｉｃａｌｐｒ
ｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｆｉｅ
ｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎｃａｔｈｏｄｅｓｗｉｔｈ
ｍｏｌｙｂｄｅｎｉｕｍｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．，４７，５２４８（１９７６）などが知
られている。

【０００４】また、ＭＩＭ型の例としては、例えば、
Ｃ．Ａ．Ｍｅａｄ，”Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｕ
ｎｎｅｌ−ｅｍｉｓｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，Ｊ．Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３２，６４６（１９６１）などが
知られている。

【０００５】また、表面伝導型放出素子としては、例え
ば、Ｍ．Ｉ．Ｅｌｉｎｓｏｎ，ＲａｄｉｏＥｎｇ．Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎＰｈｙｓ．，１０，１２９０，（１９
６５）や、後述する他の例が知られている。

【０００６】表面伝導型放出素子は、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
伝導型放出素子としては、前記エリンソン等によるＳｎ
Ｏ₂ 薄膜を用いたものの他に、Ａｕ薄膜によるもの
［Ｇ．Ｄｉｔｔｍｅｒ：”ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌ
ｍｓ”，９，３１７（１９７２）］や、Ｉｎ₂ Ｏ₃ ／Ｓ
ｎＯ₂ 薄膜によるもの［Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌａｎｄ
Ｃ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔａｄ：”ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．
ＥＤＣｏｎｆ．”，５１９（１９７５）］や、カ−ボ
ン薄膜によるもの［荒木久他：真空、第２６巻、第１
号、２２（１９８３）］等が報告されている。

【０００７】これらの表面伝導型放出素子の素子構成の
典型的な例として、図１１に前述のＭ．Ｈａｒｔｗｅｌ
ｌらによる素子の平面図を示す。同図において、３００
１は基板で、３００４はスパッタで形成された金属酸化
物よりなる導電性薄膜である。導電性薄膜３００４は図
示のようにＨ字形の平面形状に形成されている。該導電
性薄膜３００４に後述の通電フォ−ミングと呼ばれる通
電処理を施すことにより、電子放出部３００５が形成さ
れる。図中の間隔Ｌは、０. ５〜１［ｍｍ］、Ｗは、
０. １［ｍｍ］で設定されている。なお、図示の便宜か
ら、電子放出部３００５は導電性薄膜３００４の中央に
矩形の形状で示したが、これは模式的なものであり、実
際の電子放出部の位置や形状を忠実に表現しているわけ
ではない。Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌらによる素子をはじめ
として上述の表面伝導型放出素子においては、電子放出
を行う前に導電性薄膜３００４に通電フォ−ミングと呼
ばれる通電処理を施すことにより電子放出部３００５を
形成するのが一般的であった。すなわち、通電フォ−ミ
ングとは、前記導電性薄膜３００４の両端に一定の直流
電圧、もしくは、例えば１Ｖ／分程度の非常にゆっくり
としたレ−トで昇圧する直流電圧を印加して通電し、導
電性薄膜３００４を局所的に破壊もしくは変形もしくは
変質せしめ、電気的に高抵抗な状態の電子放出部３００
５を形成することである。なお、局所的に破壊もしくは
変形もしくは変質した導電性薄膜３００４の一部には、
亀裂が発生する。前記通電フォ−ミング後に導電性薄膜
３００４に適宜の電圧を印加した場合には、前記亀裂付
近において電子放出が行われる。

【０００８】このように、表面伝導型放出素子の電子放
出部を形成する際には、導電性薄膜に電流を流して該薄
膜を局所的に破壊もしくは変形もしくは変質させて亀裂
を形成する処理（通電フォ−ミング処理）を行う。この
後さらに通電活性化処理を行うことにより電子放出特性
を大幅に改善することが可能である。

【０００９】すなわち、通電活性化処理とは通電フォ−
ミング処理により形成された電子放出部に適宜の条件で
通電を行って、その近傍に炭素もしくは炭素化合物を堆
積せしめる処理のことである。例えば、適宜の分圧の有
機物が存在し、全圧が１０^-4ないし１０^-5［Ｔｏｒｒ］
の真空雰囲気中において、電圧パルスを定期的に印加す
ることにより、電子放出部の近傍に単結晶グラファイ
ト、多結晶グラファイト、非晶質カ−ボンのいずれか、
もしくはその混合物を５００［Å］以下の膜厚で堆積さ
せる。但し、この条件はほんの一例であって、表面伝導
型放出素子の材質や形状により適宜変更されるべきであ
るのは言うまでもない。

【００１０】このような処理を行うことにより、通電フ
ォ−ミング直後と比較して、同じ印加電圧における放出
電流を典型的には１００倍以上増加させることが可能で
ある。なお、通電活性化終了後には、真空雰囲気中の有
機物の分圧を低減させるのが望ましい。これを安定化工
程と呼ぶ。

【００１１】上述の表面伝導型放出素子は、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の素
子を形成できる利点がある。そこで、例えば本出願人に
よる特開昭６４−３１３３２において開示されるよう
に、多数の素子を配列して駆動するための方法が研究さ
れている。

【００１２】また、表面伝導型放出素子の応用について
は、例えば、画像表示装置、画像記録装置などの画像形
成装置や、荷電ビ−ム源等が研究されている。特に、画
像表示装置への応用としては、例えば本出願人によるＵ
ＳＰ５，０６６，８８３や特開平２−２５７５５１にお
いて開示されているように、表面伝導型放出素子と電子
ビームの照射により発光する螢光体とを組み合わせて用
いた画像表示装置が研究されている。表面伝導型放出素
子と螢光体とを組み合わせて用いた画像表示装置は、従
来の他の方式の画像表示装置よりも優れた特性が期待さ
れている。例えば、近年普及してきた液晶表示装置と比
較しても、自発光型であるためバックライトを必要とし
ない点や、視野角が広い点が優れていると言える。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本出願人らは、上記従
来技術に記載したものをはじめとして、様々な材料、製
法、構造の表面伝導型放出素子の製作を試みてきた。さ
らに、多数の表面伝導型放出素子を配列したマルチビー
ム電子源、並びにこのマルチビーム電子源を応用した画
像表示装置について研究を行ってきた。

【００１４】本出願人らは、例えば図１２に示す電気的
な配線方法によるマルチ電子ビーム源の製作を試みてき
た。すなわち、表面伝導型放出素子を２次元的に多数個
配列し、これらの素子を図示のようにマトリクス状に配
線したマルチ電子ビーム源である。図中、４００１は表
面伝導型放出素子を模式的に示したもの、４００２は行
方向配線、４００３は列方向配線である。行方向配線４
００２および列方向配線４００３は、実際には有限の電
気抵抗を有するものであるが、図においては配線抵抗４
００４および４００５として示されている。上述のよう
な配線方法を、単純マトリクス配線と呼ぶ。

【００１５】なお、図示の便宜上、６×６のマトリクス
で示しているが、マトリクスの規模はむろんこれに限っ
たわけではなく、例えば画像表示装置用のマルチ電子ビ
ーム源の場合には、所望の画像表示を行うのに足りるだ
けの素子を配列し配線するものである。

【００１６】表面伝導型放出素子を単純マトリクス配線
したマルチ電子ビーム源においては、所望の電子ビーム
を出力させるため、行方向配線４００２および列方向配
線４００３に適宜の電気信号を印加する。例えば、マト
リクスの中の任意の１行の表面伝導型放出素子を駆動す
るには、選択する行の行方向配線４００２には選択電圧
Ｖｓを印加し、同時に非選択の行の行方向配線４００２
には非選択電圧Ｖｎｓを印加する。これと同期して列方
向配線４００３に電子ビームを出力するための駆動電圧
Ｖｅを印加する。この方法によれば、配線抵抗４００４
および４００５による電圧降下を無視すれば、選択する
行の表面伝導型放出素子には、Ｖｅ−Ｖｓの電圧が印加
され、また非選択行の表面伝導型放出素子にはＶｅ−Ｖ
ｎｓの電圧が印加される。Ｖｅ、Ｖｓ、Ｖｎｓを適宜の
大きさの電圧にすれば選択する行の表面伝導型放出素子
だけから所望の強度の電子ビームが出力されるはずであ
り、また列方向配線の各々に異なる駆動電圧Ｖｅを印加
すれば、選択する行の素子の各々から異なる強度の電子
ビームが出力されるはずである。また、表面伝導型放出
素子の応答速度は高速であるため、駆動電圧Ｖｅを印加
する時間の長さを変えれば、電子ビ−ムが出力される時
間の長さも変えることができるはずである。したがっ
て、表面伝導型放出素子を単純マトリクス配線したマル
チ電子ビ−ム源にはいろいろな用途が考えられており、
例えば画像情報に応じた電圧信号を適宜印加すれば、画
像表示装置用の電子源として応用できるものと期待され
る。

【００１７】ところで、表面伝導型放出素子を用いた電
子源は長期間駆動すると、放出電流が徐々に低下すると
いう問題があった。これは駆動中の電子放出部近傍の電
界強度は極めて高いため、電子放出部近傍の経時的な変
化が発生し放出電子量の低下となって現れているものと
考えられる。

【００１８】本発明の目的は、電子源の放出電流の経時
的減少と不安定性を押さえるための電子源の製造装置お
よび製造方法を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明では、電子放出素子からの電子放出を伴う電圧
範囲における電流Ｉと電圧Ｖとの関係を

【００２０】

【数５】なる関数で表現し、ｆ’（Ｖ）を電圧Ｖにおけるｆ
（Ｖ）の微係数とする時、予めＶ１なる予備駆動電圧で
駆動を行った後に、

【００２１】

【数６】となる電圧Ｖ２にて通常の駆動を行うために、複数の電
子放出素子を行方向配線および列方向配線によりマトリ
ックス状に基板上に並べた電子源の全素子に前記予備駆
動電圧Ｖ１を印加する際、前記電子源の行方向配線から
電子放出素子に電圧Ｖ１を印加するとともに、各電子放
出素子に印加される電圧Ｖ１の極性を所定時点において
少なくとも１回以上反転させることを特徴とする。

【００２２】

【作用】上記の構成によれば、予備駆動を行うことによ
り、電子源を構成する電子放出素子の電子放出特性の安
定性が向上する。また、予備駆動時に電子放出素子に印
加される電圧の極性を反転することにより、予備駆動時
の耐ノイズ性を向上させることができる。例えば、ノイ
ズによる素子の電子放出特性のばらつき発生等を防ぐこ
とができる。

【００２３】

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を説明する。［実施例１］先に説明した課題に対して、出願人らは、
通常の駆動に先立ち予備駆動と呼ぶ駆動方法を行うこと
で経時的な変化が低減することが出来ることを見出し
た。ここで予備駆動について説明する。

【００２４】すでに述べたように、表面伝導型放出素子
の電子放出部を形成する際には、通電フォーミング処理
後、通電活性化処理により電子放出部の近傍に炭素もし
くは炭素化合物を堆積せしめている。さらに通電活性化
終了後には、安定化工程を行うことが好ましい。この工
程は、真空容器内の有機物質を排気する工程である。真
空容器を排気する真空排気装置は、装置から発生するオ
イル等の有機物質が素子の特性に影響を与えないよう
に、オイルを使用しないものを用いるのが好ましい。具
体的には、磁気浮上型ターボ分子ポンプ、クライオポン
プ、ソープションポンプ、イオンポンプ等の真空排気装
置を挙げることが出来る。真空容器内の有機成分の分圧
は、上記の炭素および炭素化合物がほぼ新たに堆積しな
い分圧で１×１０^-6Ｐａ以下が好ましく、さらには１×
１０^-8Ｐａ以下が特に好ましい。さらに真空容器内を排
気するときには、真空容器全体を加熱して、真空容器内
壁や、電子放出素子に吸着した有機物質分子を排気しや
すくするのが好ましい。安定化工程により得られるこの
ような真空雰囲気中の有機物の分圧を低減した雰囲気
で、通常の駆動に先立って施される通電処理が予備駆動
処理である。

【００２５】上述したように、表面伝導型放出素子にお
いて駆動中の電子放出部近傍の電界強度は極めて高く、
このため同一の駆動電圧で長期間駆動すると、放出電子
量が徐々に低下するという問題があった。高い電界強度
に起因する電子放出部近傍の経時的な変化が、放出電子
量の低下となって現れているものと思われる。

【００２６】この点について説明する。Ｆｏｗｌｅｒと
Ｎｏｒｄｈｅｉｍらによれば、ＦＥ型の電子放出素子か
ら放出される電流Ｉと、カソード−ゲート間に印加され
る電圧Ｖとの関係は

【００２７】

【数７】で表される。上記式中、Ａ並びにＢは、電子放出部近傍
の材料並びに放出面積に依存する定数であり、βは電子
放出部近傍の形状に依存するパラメータであり、電圧Ｖ
にβを乗じた値が電界強度となる。ここで、ＦＥ型の電
子放出素子を例に取って説明するのは、表面伝導型の電
子放出素子においても同式を一対の電極間に印加した電
圧Ｖに対して、素子電流または放出電流Ｉと置き換える
だけで同様に表現されることを見出したためである。

【００２８】図６のグラフにプロットされた電気特性を
直線（図６中の破線）で近似すると、印加電圧Ｖを近似
直線の傾きＳで除した値に負符号を付けた値

【００２９】

【数８】が、カソード２３とゲート２４間に形成される電界の強
度に比例することが分かる。

【００３０】更に、上記関係をもう少し一般化して表現
すると、放出電流Ｉと電圧Ｖとの関係を

【００３１】

【数９】なる関数で表現し、ｆ’（Ｖ）を電圧Ｖにおけるｆ
（Ｖ）の微係数とする時、電圧Ｖにおける電界強度は
（式３）より、

【００３２】

【数１０】と表され、

【００３３】

【数１１】に比例することがわかる。

【００３４】ＦＥ型電子放出素子における上記電界強度
の代表的な値は、およそ１０⁷ Ｖ／ｃｍのオーダーと非
常に高い値である。この点もまた、表面伝導型電子放出
素子の一対の電極間に適用される。

【００３５】このように大きな電界強度のもとで、通常
の方法によって長期間駆動を継続していくと、強電界下
における構成部材の変化が不定期に発生し、放出電流値
が不安定になる。また、上記変化が不可逆的に起こる
と、放出電流の低下を伴うことが多く、画像表示装置に
おいては輝度の低下となって現れる。上述の駆動中の電
流の不安定性は、通常の駆動に先立ち行われる駆動方法
である予備駆動を行うことで低減することが出来る。

【００３６】本発明の予備駆動は、例えば以下のような
手順にて実施する。先ず、予備駆動を適用する電子放出
素子の、少なくとも二組の異なる駆動電圧における印加
電圧と放出電流、並びに、それぞれの印加電圧における
放出電流の微係数を求める。例えば、図７に示すよう
に、Ｖ１の印加電圧に対応する放出電流値Ｉ１と、Ｖ１
をｄＶ１だけ微小変化させた時の放出電流の変化量ｄＩ
１から、放出電流の微係数Ｉ’１をＩ’１＝ｄＩ１／ｄ
Ｖ１より求め、同様に、Ｖ２に対応する放出電流値Ｉ２
と、微係数Ｉ’２を求める。

【００３７】次に、各印加電圧Ｖ１、Ｖ２に対応する
（式７）中のｆ（Ｖ）をＩ１、Ｉ２とし、ｆ’（Ｖ）を
Ｉ’１、Ｉ’２として、（式７）から求まる値を比較す
る。この時例えば、

【００３８】

【数１２】という関係が得られた場合、Ｖ１を予備駆動電圧（以
下、Ｖｐｒｅと表記する）として採用し、Ｖ２を通常の
駆動電圧（以下、Ｖｄｒと表記する）として採用する。
逆に、

【００３９】

【数１３】という関係が得られた場合、Ｖ２を予備駆動電圧（以
下、Ｖｐｒｅと表記する）として採用し、Ｖ１を通常の
駆動電圧（以下、Ｖｄｒと表記する）として採用する。

【００４０】以上予備駆動は、駆動時における電界強度
が安定するまでの時間行うことが望ましいが、予備駆動
時の電界強度の相対的な変化率が５％以内に収まるまで
予備駆動を継続すれば、引き続き駆動を行っても電界強
度の変動率は５％程度以内に収まり、予備駆動の効果が
十分実現されることがわかった。従って、（式７）よ
り、ｆ（Ｖ１）／｛Ｖ・ｆ’（Ｖ１）−２ｆ（Ｖ１）｝
の値の変化率が５％以内になるまでの時間予備駆動を実
施すればよい。

【００４１】上記予備駆動時には、予備駆動時における
電界強度の変化率をモニタしながら、電圧の印加を行う
とよい。予備駆動電圧にはパルス電圧を好適に用いるこ
とができ、例えばパルス休止時間（パルス電圧が印加さ
れてから、次のパルス電圧が印加されるまでの間）に電
界強度の変化率を算出しながら電圧の印加を行い、上記
変化率が５％以内になったところで電圧の印加を停止す
ればよい。

【００４２】予備駆動時の電界強度の変化率を見るため
には、例えば以下の方法を用いることができる。予備駆
動時に、予備駆動電圧Ｖ１とＶ１と微少電圧ｄＶ１異な
る電圧Ｖ１２を連続して印加し、それぞれの電圧を印加
した時に流れる電流Ｉ１、Ｉ１２、およびＩ１、Ｉ１２
の差ｄＩ１を求める。ここで、ｆ’（Ｖ１）＝ｄＩ１／
ｄＶ１であり、また、（式５）よりｆ（Ｖ１）＝Ｉ１で
あるから、上記ｆ（Ｖ１）／｛Ｖ・ｆ’（Ｖ１）−２ｆ
（Ｖ１）｝は

【００４３】

【数１４】となり、Ｅｐｒｅの値の変化率を見ればよいことにな
る。

【００４４】予備駆動における電圧波形としては、図８
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような電圧波形を用いる
ことができる。図８（ａ）は予備駆動電圧Ｖ１をＴ１時
間印加した直後に電圧Ｖ１２までＴ１２時間かけて電圧
が変化する電圧波形である。図８（ｂ）は、予備駆動電
圧Ｖ１をＴ１時間印加した直後に電圧Ｖ１２をＴ１２時
間印加する電圧波形である。また、図８（ｃ）は、予備
駆動電圧Ｖ１をＴ１時間印加した後にＶ１２の電圧をＴ
１２時間印加する電圧波形である。各印加電圧Ｖ１、Ｖ
１２における電流値より、上記Ｅｐｒｅの値の変化率を
求め、変化率が５％以内になるまで予備駆動を実施すれ
ばよい。

【００４５】さらに、安定化工程を施した（式８）に該
当する電子放出素子においては、素子電流Ｉｆ、放出電
流Ｉｅは素子電圧Ｖｆに対してＭＩ特性を有し、素子電
圧Ｖｆに対して素子電流Ｉｆおよび放出電流Ｉｅが一義
的に決まる特性を有する。またこの時のＩｆ−Ｖｆ特
性、Ｉｅ−Ｖｆ特性は、安定化工程後に印加された最大
電圧Ｖｍａｘに依存する。

【００４６】この電子放出素子のＩ−Ｖ特性について、
図９（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図９（ａ）はＩ
ｆとＶｆの関係を示した図であり、図９（ｂ）はＩｅと
Ｖｆとの関係を示した図である。

【００４７】図９（ａ）、（ｂ）において、実線で示さ
れるのは、最大電圧Ｖｍａｘ＝Ｖｍａｘ１で駆動した素
子のＩ−Ｖ特性である。この素子をＶｍａｘｌより以下
の素子電圧で駆動する時には、この実線で示されるＩ−
Ｖ特性と同じＩ−Ｖ特性を有する。しかし、Ｖｍａｘｌ
以上の電圧Ｖｍａｘ２で駆動すると、素子は図中破線で
示されるように異なるＩ−Ｖ特性を示すようになり、こ
の素子をＶｍａｘ２以下の素子電圧で駆動する時には、
この破線で示されるＩ−Ｖ特性と同じＩ−Ｖ特性を有す
るようになる。これは、電子放出素子に印加される最大
電圧Ｖｍａｘによって、電子放出部の形状や電子放出面
積等が変化するためと考えられる。

【００４８】予備駆動工程において素子電圧Ｖ１なる電
圧で素子を予備駆動することにより、電子放出素子は図
１０に示すようにＶｍａｘ＝Ｖ１なる電圧によって一義
的に決められるｌｆ−Ｖｆ特性およびＩｅ−Ｖｆ特性を
有するようになる。

【００４９】次に、予備駆動終了時の素子電圧Ｖｆ１に
おける素子電流をＩｆ１とし、予備駆動により決められ
たＩｆ−Ｖｆ特性より、Ｉｆ２≦０．７ＩｆｌとなるＶ
ｆ２を選択し駆動電圧とする（図１０中のＶｆ２）。こ
れは、Ｉｆ２≦０．７Ｉｆ１となる駆動電圧とすること
により、放出電流の低下を長時間抑制することができる
からである。

【００５０】素子電圧Ｖｆ１で予備駆動を行った素子
に、上述のようにＩｆ２≦０．７Ｉｆｌとなる駆動電圧
Ｖｆ２を印加しても、電子放出部の形状や放出面積の変
化はほとんど生じないと考えられるため、駆動時におい
ては、予備駆動時とほぼ同じ放出面積を有しながら、予
備駆動時よりも低い素子電流Ｉｆで駆動することにな
る。そのため、駆動時に電子放出部に流れる素子電流の
電流密度を下げることができ、電子放出部の熱的な劣化
を抑え、長時間安定に電子放出させることができるもの
と考えられる。

【００５１】上記予備駆動は、予備駆動後に予備駆動電
圧よりも低い電圧で駆動する際に、電子放出素子のＩｆ
−Ｖｆ特性およびＩｅ−Ｖｆ特性が変化しないために必
要な時間行えばよく、パルス幅が数μｓｅｃ〜数十ｍｓ
ｅｃ、好ましくは１０μｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃのパルス
電圧を数パルス〜数十パルス以上印加することにより、
行うことができる。

【００５２】なお、Ｖ１＞Ｖ２なる電圧において、（式
９）のような関係がある場合は、予備駆動電圧Ｖｐｒｅ
に対して通常の駆動電圧Ｖｄｒが高い電圧となり、Ｖｐ
ｒｅの電圧にて変化させた電子放出部 (電子放出部Ａと
呼ぶ) に対しては、Ｖｄｒの電圧を印加した時点で更に
高い電界強度がかかることになる。しかし、この時点で
の電子放出量を左右する主たる電子放出源は異なる別の
電子放出部 (電子放出部Ｂと呼ぶ) となっており、全放
出電流に占める電子放出部Ａの寄与は小さい。このよう
な関係であっても、やはり予備駆動は有効であり、予め
Ｖｐｒｅの電圧を印加することで、電子放出部Ａの大幅
な変動要因を予め減少させ、その後のＶｄｒの駆動電圧
における破壊的な変動を未然に防ぐことが出来る。

【００５３】以上のように説明した予備駆動方法は、Ｆ
Ｅ型電子放出素子や表面伝導型電子放出素子以外の電子
放出素子、例えばＭＩＭ型の電子放出素子に対しても有
効である。

【００５４】多数の電子放出素子を単純マトリクス配線
したマルチ電子源のように複数の電子放出素子を有する
電子源を製造する際においても、駆動に先立って、電子
源を構成する全ての素子に対し予備駆動処理を行うこと
で安定した電子放出特性を有するマルチ電子源を実現す
ることができる。

【００５５】本実施例では、複数個の表面伝導型放出素
子を列方向配線および行方向配線によりマトリックス状
に配線した電子源に本発明の予備駆動を適用した例を示
す。まず図１を用いて本実施例の予備駆動装置について
説明する。図中、１０１は予備駆動を行う電子源であ
る。電子源１０１は既にフォーミング処理、活性化処理
および安定化工程が終了しているものとする。電子源１
０１は不図示の真空排気装置に接続されており、１×１
０^-7Ｐａ以下程度に真空排気されている。さらに行方向
配線は端子Ｄx1〜Ｄxmと、列方向配線は端子Ｄy1〜Ｄyn
とそれぞれ接続している。

【００５６】１０２は予備駆動を行う行方向配線を選択
する行方向配線選択回路で、内部にｍ個のスイッチング
素子を備える。各スイッチング素子は、行方向パルス発
生器１０３の出力もしくは０［Ｖ］（グランドレベル）
のいずれか一方を選択し、電子源１０１の端子Ｄx1〜Ｄ
xmと電気的に接続することができる。各スイチング素子
の切り替えはＣＰＵ等の制御装置１０４によって行える
ようにしている。行方向パルス発生器１０３は素子に予
備駆動電圧を印加するための電圧源である。行方向パル
ス発生器１０３は所定のパルス幅および周期を持つパル
スをその波高値Ｖｐｒｅの極性を１パルスごとに反転さ
せながら出力する。なお行方向パルス発生器１０３が出
力するパルスの特徴については後述する。

【００５７】１０５は電流計であり、所定のタイミング
で行方向配線側パルス発生器１０３からの出力電流をサ
ンプリングしその値をデジタル値で制御装置１０４に出
力する。

【００５８】各列方向配線には端子Ｄy1〜Ｄynを介し
て、列方向パルス発生器Ｐy1〜Ｐyn１０６を接続してい
る。列方向パルス発生器Ｐy1〜Ｐyn１０６は制御装置１
０４からの制御により所定波高値Ｖc1〜Ｖcnを持ち、か
つ行方向パルス発生器１０３から出力するパルスと同じ
パルス幅、周期および位相を持つパルスを発生すること
ができる。

【００５９】次に本実施例の予備駆動の方法について説
明する。本発明の予備駆動では電子源、すなわち表面伝
導型放出素子に印加する電圧Ｖｐｒｅの極性を所定時間
において少なくとも１回以上反転する方法をとる。この
ようにすることで、駆動回路からノイズ等の影響で通常
の駆動と逆の極性を持つ電圧が表面伝導型放出素子に印
加された場合においても表面伝導型放出素子の安定性を
維持することができる。

【００６０】そこで、本実施例では行方向パルス発生器
１０３から表面伝導型放出素子に、図２に示すような、
周期１０［ｍｓ］、パルス幅１［ｍｓ］の矩形波パルス
をその波高Ｖｐｒｅを１パルスごとに極性を反転しなが
ら印加した。なお本実施例ではパルスの印加時間３０
［ｓｅｃ］間、電圧Ｖｐｒｅの値は１６．０［Ｖ］とし
た。Ｖｐｒｅは駆動電圧Ｖｄｒを１４．５［Ｖ］と設定
したことから、（式６）より電界強度がＶｄｒを印加し
た時に比べ大きくなる値として選定したものである。な
お電子源に使用する表面伝導型放出素子の構成や駆動電
圧Ｖｄｒ等を変更した際は、Ｖｐｒｅ、パルス周期、パ
ルス幅、パルスの波形、パルスの印加時間等々を適切な
値に設定し直す必要がある。

【００６１】本実施例では、上記のような予備駆動を、
行方向配線１行を単位として行う。１行分の予備駆動が
終了次第、順次予備駆動を行う行方向配線を切り替えて
いくことで電子源の全表面伝導型放出素子に対して予備
駆動を行う。

【００６２】以下では第一行目の表面伝導型放出素子群
を予備駆動する場合を例にとり説明する。図３におい
て、Ｆ１〜Ｆｎは行方向配線上の表面伝導型放出素子、
ｒ１〜ｒｎは行方向配線における各区間の配線抵抗、Ｒ
ｙは列方向配線のうち端子Ｄy1〜Ｄynから表面伝導型放
出素子までの配線抵抗である。行方向配線は一定の線
幅、厚さ、材料で形成されるように設計されるため、製
造上のばらつきを除けばｒ１〜ｒｎは等しいと考えてよ
い。また各列方向配線は通常等しく設計されるため、各
Ｒｙは等しいと考えてよい。なお、Ｒｙの値に比べ各素
子の等価抵抗は非常に大きく、Ｒｙの影響は、ほとんど
無視して考えてよい。また表面伝導型放出素子の等価抵
抗値は、ｒ１〜ｒｎに比べて大きく設計されている。

【００６３】第一行目の表面伝導型放出素子群を予備駆
動するため、制御装置１０４は行方向配線選択回路１０
２を制御し、行方向パルス発生器１０３の出力を端子Ｄ
x1に接続する。ところで、予備駆動を行う際行方向配線
上では配線抵抗ｒ１〜ｒｎと行方向配線を流れる電流と
による電圧降下が生じるため、素子Ｆ１〜Ｆｎの端子Ｇ
ｙ１〜Ｇｙｎにかかる電圧には電圧分布が生じる。そこ
でこの電圧分布を打ち消すために、制御装置１０４は行
方向配線で生じる電圧分布を計算し、さらに列方向パル
ス発生器Ｐy1〜Ｐyn１０６の各出力波高値Ｖc1〜Ｖcnを
上記の電圧分布と同じになるよう調整する。列方向パル
ス発生器Ｐy1〜Ｐyn１０６はパルス発生器１０３が出力
するパルスと同じ周期、パルス幅および位相で、波高値
がＶc1〜Ｖcnのパルスを端子Ｄy1〜Ｄynに出力する。こ
のようにすることで、各素子Ｆ１〜Ｆｎの端子間に印加
される電圧Ｖｐｒｅを概一定にすることができる。本実
施例では行方向パルス発生器１０３の出力するパルスの
波高値の極性が１パルスごとに反転するため、列方向パ
ルス発生器Ｐy1〜Ｐyn１０６の各出力波高値Ｖc1〜Ｖcn
の極性も当然１パルスごとに反転させている。なお予備
駆動の進行に伴い表面伝導型放出素子を流れる電流が変
化し、電圧分布も変化していくが、１００［ｍｓ］毎に
上記の波高値Ｖc1〜Ｖcnの調整を行うことで、各素Ｆ１
〜Ｆｎ子の端子間に印加される電圧Ｖｐｒｅを常に概一
定に保つことができた。

【００６４】本実施例において、制御装置１０４では電
圧の分布は以下のようにして計算している。予備駆動
中、どの素子にもほぼ等しい電流が流れると仮定する、
すると電流計１０５で検出される予備駆動電流Ｉから各
素子Ｆ１〜Ｆｎを流れる素子電流値ｉ１〜ｉｎを

【００６５】

【数１５】として見積もることができる。

【００６６】この時、パルス発生器Ｐy1〜Ｐyn１０６が
出力すべき電圧Ｖc1〜Ｖcnは、配線抵抗値ｒ１〜ｒｎ≒
ｒを用いて、

【００６７】

【数１６】として算出される。

【００６８】図４は、上記の計算により予備駆動時に素
子Ｆ１〜Ｆｎの両端に印加される電圧分布を算出した例
である。横軸は素子番号Ｆ１〜Ｆｎであり、素子の位置
を示している。縦軸は素子両端の端子電圧を示してい
る。

【００６９】以上説明したような予備駆動を行った表面
伝導型放出素子基板は、予備駆動を行わなかった表面伝
導型放出素子基板に比べて、駆動中の素子電流並びに放
出電流の減少と変動が少なく安定な電子放出特性が得ら
れた。さらに本発明の予備駆動では駆動回路のノイズ等
によって、通常と反対の極性の電圧が印加される場合に
も安定した電子放出特性を得ることができた。

【００７０】［実施例２］本実施例においても、実施例
１と同様な構成の電子源について、予備駆動を行方向配
線１行を単位として行う。本実施例で用いた電子源が実
施例１で用いたものと異なる点は、列方向配線が１０本
と少ないことである。つまり行方向配線１本あたりの表
面伝導型放出素子数が実施例１で用いた電子源に比べ非
常に少ない。このような電子源においては予備駆動の際
行方向配線上で生じる電圧分布は無視できるほど小さな
ものとなる。よって、実施例１で行方向配線の電圧分布
を打ち消すために用いた、列方向配線のパルス発生装置
は本実施例では不要である。まず図５を用いて本実施例
の予備駆動装置について説明する。図中、４０１は予備
駆動を行う電子源である。電子源４０１は既にフォーミ
ング処理、活性化処理および安定化工程が終了している
ものとする。電子源４０１は不図示の真空排気装置に接
続されており、１×１０^-7Ｐａ以下程度に真空排気され
ている。さらに行方向配線は端子Ｄx1〜Ｄxmと、列方向
配線（１０本）は端子Ｄy1〜Ｄy1０とそれぞれ接続して
いる。

【００７１】４０２は予備駆動を行う行方向配線を選択
する行方向配線選択回路で、内部にｍ個のスイッチング
素子を備える。各スイッチング素子は、パルス発生器４
０３の出力もしくは０［Ｖ］（グランドレベル）のいず
れか一方を選択し、電子源４０１の端子Ｄx1〜Ｄxmと電
気的に接続することができる。各スイチング素子の切り
替えはＣＰＵ等の制御装置４０４によって行えるように
している。

【００７２】パルス発生器４０３は素子に予備駆動電圧
を印加するための電圧源である。パルス発生器４０３は
所定のパルス幅および周期を持つパルスをその波高値Ｖ
ｐｒｅの極性を１パルスごとに反転させながら出力す
る。各列方向配線は端子Ｄy1〜Ｄy1０を介しに電気的グ
ランドを接続した。

【００７３】次に本実施例の予備駆動の方法について説
明する。本実施例においても電子源、すなわち表面伝導
型放出素子に印加する電圧Ｖｐｒｅの極性を所定時間に
おいて少なくとも１回以上反転する方法をとる。本実施
例においても実施例１と同様の形状、周期、パルス幅、
波高値を備えるパルス電圧を、パルス発生器４０３から
各表面伝導型放出素子に３０［ｓｅｃ］間印加した。な
お、本実施例においても電圧Ｖｐｒｅの値は１６．０
［Ｖ］とした。

【００７４】このようなパルス電圧で、第一行目の表面
伝導型放出素子群を予備駆動するため、制御装置３０４
は行方向配線選択回路３０２を制御し、パルス発生器３
０３の出力を端子Ｄx1に接続する。このようにして１行
分の予備駆動が終了次第、順次予備駆動を行う行方向配
線を切り替えていくことで電子源の全表面伝導型放出素
子に対して予備駆動を行っていく。

【００７５】なお本実施例で予備駆動を行った電子源に
おいても実施例１の時と同様、予備駆動を行わなかった
電子源に比べて、駆動中の素子電流並びに放出電流の減
少と変動が少なく安定な電子放出特性が得られた。

【００７６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、予備駆動
を行うことにより、電子源を構成する電子放出素子の電
子放出特性の安定性が向上した。また、予備駆動時に電
子放出素子に印加される電圧の極性を反転することによ
り、予備駆動時の対ノイズ性を向上させることができ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る予備駆動装置の構成
を示す図である。

【図２】図１の装置における予備駆動電圧の波形図で
ある。

【図３】図１の装置で駆動される電子源の等価回路図
である。

【図４】図１の装置で駆動される電子源内の電圧分布
を示す図である。

【図５】本発明の他の実施例に係る予備駆動装置の構
成を示す図である。

【図６】本発明の適用が可能な電子放出素子の電気特
性の一例を示すグラフである。

【図７】図６の目盛りを変更して表した電気特性図で
ある。

【図８】本発明の実施例に係る予備駆動に使用される
電圧波形を示す図である。

【図９】本発明の実施例に係る電子放出素子について
の、放出電流Ｉｅ及び素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆの関
係の一例を示すグラフである。

【図１０】本発明の実施例に係る電子放出素子につい
ての、放出電流Ｉｅ及び素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆの
関係の一例を示すグラフである。

【図１１】表面伝導型放出素子の概略平面図である。

【図１２】単純マトリクス配置の電子源の概略図であ
る。

【符号の説明】

１０１，４０１：電子源、１０２，４０２：行方向配線
選択回路、１０３，４０３：行方向パルス発生器、１０
４，４０４：制御装置、１０５：電流計、１０６：列方
向パルス発生器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子放出素子からの電子放出を伴う電圧
範囲における電流Ｉと電圧Ｖとの関係を【数１】なる関数で表現し、ｆ’（Ｖ）を電圧Ｖにおけるｆ
（Ｖ）の微係数とする時、予めＶ１なる予備駆動電圧で
駆動を行った後に、【数２】となる電圧Ｖ２にて通常の駆動を行うために、複数の電
子放出素子を行方向配線および列方向配線によりマトリ
ックス状に基板上に並べた電子源の全素子に前記予備駆
動電圧Ｖ１を印加するための電子源製造装置であって、少なくとも、前記電子源の行方向配線から電子放出素子
に電圧Ｖ１を印加する電圧印加手段を備え、電圧Ｖ１の極性を所定時点において少なくとも１回以上
反転させ電子放出素子に印加することを特徴とする電子
源製造装置。
【請求項２】前記電圧Ｖ１は、所定波高値および所定
パルス幅および所定周期を備えるパルス電圧であること
を特徴とする請求項１記載の電子源製造装置。
【請求項３】前記電圧Ｖ１は、波高値の極性が交互に
反転する連続したパルス電圧であることを特徴とする請
求項２記載の電子源製造装置。
【請求項４】前記電圧Ｖ１において、正極性のパルス
電圧で印加される各パルスの印加時間の合計が、５００
μｓｅｃ以上であることを特徴とする請求項３記載の電
子源製造装置。
【請求項５】前記電圧Ｖ１にいおいて、正極性のパル
ス電圧で印加される各パルスの印加時間の合計が、１２
０ｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項３または４
記載の電子源製造装置。
【請求項６】前記電圧Ｖ１において、逆極性のパルス
電圧で印加される各パルスの印加時間の合計が、前記正
極性のパルス電圧で印加される各パルスの印加時間の合
計以下であることを特徴とする請求項３〜５のいずれか
に記載の電子源製造装置。
【請求項７】前記電子源の行方向配線に電圧Ｖｒを印
加する行方向電圧源と、列方向配線に電圧Ｖｃを印加す
る列方向電圧源と、行方向配線および列方向配線の交点
にある電子放出素子に印加される電圧Ｖ１が所定値にな
るように電圧ＶｒおよびＶｃを制御する制御手段とを有
することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の
電子源製造装置。
【請求項８】前記電子源製造装置は、電子源に投入さ
れる電流を測定する電流計を備えることを特徴とする請
求項７記載の電子源製造装置。
【請求項９】前記制御手段は、前記電流計の測定した
電流値に応じて前記電圧ＶｒおよびＶｃを制御すること
を特徴とする請求項８記載の電子源製造装置。
【請求項１０】前記電圧Ｖ１は、前記電圧印加工程の
後に、前記電子放出素子を駆動すべく前記電圧Ｖ２を印
加した時に前記電子放出素子に流れる電流をＩｆ２、前
記電圧印加工程において前記電子放出素子に前記電圧Ｖ
１を印加した時に前記電子放出素子に流れる電流をＩｆ
ｌとしたときに、Ｉｆ２≦０．７Ｉｆ１となる電圧に設
定される請求項１〜９のいずれかに記載の電子源製造装
置。
【請求項１１】前記電圧Ｖ１での駆動を、前記（式
２）における左辺の値の変化率が５％以下になるまでの
時間行うことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに
記載の電子源製造装置。
【請求項１２】電子放出素子からの電子放出を伴う電
圧範囲における電流Ｉと電圧Ｖとの関係を【数３】なる関数で表現し、ｆ’（Ｖ）を電圧Ｖにおけるｆ
（Ｖ）の微係数とする時、予めＶ１なる予備駆動電圧で
駆動を行った後に、【数４】となる電圧Ｖ２にて通常の駆動を行うために、複数の電
子放出素子を行方向配線および列方向配線によりマトリ
ックス状に基板上に並べた電子源の全素子に前記予備駆
動電圧Ｖ１を印加するための電子源製造方法であって、少なくとも、前記電子源の行方向配線から電子放出素子
に電圧Ｖ１を印加する電圧印加工程を備え、電圧Ｖ１の極性を所定時点において少なくとも１回以上
反転させ電子放出素子に印加することを特徴とする電子
源製造方法。
【請求項１３】前記電圧Ｖ１は、所定波高値および所
定パルス幅および所定周期を備えるパルス電圧であるこ
とを特徴とする請求項１２記載の電子源製造方法。
【請求項１４】前記電圧Ｖ１は、波高値の極性が交互
に反転する連続したパルス電圧であることを特徴とする
請求項１３記載の電子源製造方法。
【請求項１５】前記電圧Ｖ１において、正極性のパル
ス電圧で印加される各パルスの印加時間の合計が、５０
０μｓｅｃ以上であることを特徴とする請求項１４記載
の電子源製造方法。
【請求項１６】前記電圧Ｖ１にいおいて、正極性のパ
ルス電圧で印加される各パルスの印加時間の合計が、１
２０ｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項１４また
は１５記載の電子源製造方法。
【請求項１７】前記電圧Ｖ１において、逆極性のパル
ス電圧で印加される各パルスの印加時間の合計が、前記
正極性のパルス電圧で印加される各パルスの印加時間の
合計以下であることを特徴とする請求項１４〜１６のい
ずれかに記載の電子源製造方法。
【請求項１８】前記電子源の行方向配線に電位Ｖｒを
印加する行方向電位印加工程と、列方向配線に電位Ｖｃ
を印加する列方向電位印加工程と、行方向配線および列
方向配線の交点にある電子放出素子に印加される電圧Ｖ
１が所定値になるように電位ＶｒおよびＶｃを制御する
制御工程とを有すること特徴とする請求項１２〜１７の
いずれかに記載の電子源製造方法。
【請求項１９】前記電子源製造装置は、電子源に投入
される電流を測定する電流測定工程を備えることを特徴
とする請求項１８記載の電子源製造方法。
【請求項２０】前記制御工程は、前記電流測定工程で
測定した電流値に応じて前記電位ＶｒおよびＶｃを制御
することを特徴とする請求項１９記載の電子源製造方
法。
【請求項２１】前記電圧Ｖ１は、前記電圧印加工程の
後に、前記電子放出素子を駆動すべく前記電圧Ｖ２を印
加した時に前記電子放出素子に流れる電流をＩｆ２、前
記電圧印加工程において前記電子放出素子に前記電圧Ｖ
１を印加した時に前記電子放出素子に流れる電流をＩｆ
ｌとしたときに、Ｉｆ２≦０．７Ｉｆ１となる電圧に設
定される請求項１２〜２０のいずれかに記載の電子源製
造方法。
【請求項２２】前記電圧Ｖ１での駆動を、前記（式
２）における左辺の値の変化率が５％以下になるまでの
時間行うことを特徴とする請求項１２〜２１のいずれか
に記載の電子源製造方法。
【請求項２３】前記基板上に複数個の電子放出素子を
配置した電子源であって、請求項１〜１１のいずれかに
記載の電子源製造装置または請求項１２〜２２のいずれ
かに記載の電子源製造方法を用いて製造されたことを特
徴とする電子源。