JP2000285791A

JP2000285791A - 電子放出素子及びその製造方法とそれを用いた電子源，撮像装置，画像形成装置

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Publication number: JP2000285791A
Application number: JP9062799A
Authority: JP
Inventors: Takeo Tsukamoto; 健夫塚本; Masato Yamanobe; 正人山野辺; Shinichi Kawate; 信一河手
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】低電圧により素子を駆動する低電圧化が図れ
て、電界を乱れなく印加でき、放出電子の軌道を安定化
でき、これを用いた電子源，撮像装置，画像形成装置に
ついて、扱う情報信号の再現性（解像度）を向上できる
電子放出素子及びその製造方法とそれを用いた電子源，
撮像装置，画像形成装置を提供する。【解決手段】基板１上に、下部電極２，多層の誘電体
層３，上部電極４を順に積層し、誘電体層３は多層構造
にして最上層を、下層３ａよりも比誘電率の小さい誘電
体層３ｂとし、かつ最上層３ｂの厚さは下層よりも薄く
形成する。多層の誘電体層３に、上下に貫通する細孔６
を形成し、細孔６内に炭素もしくは金属からなる電子放
出材５を設ける。駆動時の等電位面は誘電体層３ｂに集
中し、電界の集中を上部電極４の直下に固定でき、高電
圧を加えなくてもよい。多層の誘電体層３を堆積形成す
るので、厚さのばらつきを抑えて形成でき、電界の乱れ
を防げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基体上に下部電
極，誘電体層，上部電極を順に設けて、その誘電体層の
細孔内に電子放出材を設けた電子放出素子及びその製造
方法とそれを用いた電子源，撮像装置，画像形成装置に
関し、とりわけ、その誘電体層を多層構造にするように
した電子放出素子及びその製造方法とそれを用いた電子
源，撮像装置，画像形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、冷陰極型の電子放出素子
は、いわゆる冷電子を冷陰極から放出するものであり、
電界放出（ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉｏｎ：ＦＥ）型，
金属・絶縁層・金属（ＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒ
Ｍｅｔａｌ：ＭＩＭ）型などがある。

【０００３】ＦＥ型は、例えば、Ｗ．Ｐ．Ｄｙｋｅ＆
Ｗ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ，”Ｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏ
ｎ”，ＡｄｖａｎｃｅｉｎＥｌｅｃｔｒｏｎＰｈ
ｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）や、Ｃ．Ａ．Ｓｐｉ
ｎｄｔ，”ＰＨＹＳＩＣＡＬＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆｔｈｉｎ‐ｆｉｌｍｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉ
ｏｎｃａｔｈｏｄｅｓｗｉｔｈｍｏｌｙｂｄｅｎ
ｕｍｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４
７，５２４８（１９７６）等に開示されたものが知られ
ている。

【０００４】ＭＩＭ型は、例えば、Ｃ．Ａ．Ｍｅａ
ｄ，”ＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＴｕｎｎｅｌ‐Ｅｍ
ｉｓｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌｙ．Ｐ
ｈｙｓ．，３２，６４６（１９６１）等に開示されたも
のが知られている。

【０００５】また、最近の例では、特開平５−１９８２
５２号や特開平５−２１１０２９号及び特開平５−２１
１０３０号等に、陽極酸化膜の細孔を用いた電子放出素
子が開示されている。この電子放出素子は、図１１に示
すように、基板１の上に、下部電極２となるアルミニウ
ム層を形成して、シュウ酸あるいは硫酸中で陽極酸化を
行うことで当該アルミニウム層の上に、細孔６を有する
酸化膜３０を形成し、その細孔６内に、電子放出材５を
析出あるいは埋め込みにより形成した構成を採り、酸化
膜３０の上に、上部電極４を形成して電子放出素子に構
成している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、そうし
た陽極酸化膜の細孔を用いた電子放出素子にあっては、
以下のような問題があった。

【０００７】（１）素子の駆動電圧については低電圧化
したいという要求があり、そこで電界を増加するため酸
化膜３０の厚みを薄く低減させているが、その場合は酸
化膜３０の耐圧が低下してしまい、絶縁破壊を起こすの
で、電子放出特性が最適となる電圧値を加えることがで
きなくなり、最適駆動が行えないという問題があった。

【０００８】もちろん逆に、酸化膜３０を厚くすること
により耐圧は高くできるが、高電圧で駆動しないと所定
の電界は得られない。

【０００９】（２）細孔６内に形成される電子放出部
は、上部電極４に対してその位置関係（距離）が一定し
ていなく、このため素子駆動時には電界に乱れができ、
その結果、電子放出の開始がばらつき、電子軌道の安定
性が悪いという問題があった。従って、当該素子を用い
た電子源，撮像装置，画像形成装置においては、扱う情
報信号に電子軌道のばらつきが重畳するので、再現性
（解像度）が悪化してしまう。

【００１０】そこで、本発明はそうした従来の課題に鑑
みてなされたものであって、上下の電極間に多層の誘電
体層を設ける構成を採ることで、低電圧により素子を駆
動する低電圧化が図れて、電界を乱れなく加えることが
でき、これにより放出電子の軌道を安定化でき、そして
これを用いた電子源，撮像装置，画像形成装置につい
て、扱う情報信号の再現性（解像度）を向上することが
できる電子放出素子及びその製造方法とそれを用いた電
子源，撮像装置，画像形成装置を提供することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために本発明の請求項１に示す電子放出素子は、基体上
に、下部電極，誘電体層，上部電極を順に設けて、前記
誘電体層には細孔を形成すると共に、当該細孔内に少な
くとも炭素あるいは金属からなる電子放出材を設けた電
子放出素子において、前記誘電体層は多層構造にして最
上層を、下層よりも比誘電率の小さい誘電体層として構
成する。

【００１２】また、請求項２に示す電子放出素子は、前
記誘電体層の最上層は、その厚さを下層よりも薄く形成
して構成する。

【００１３】そして、請求項３に示す電子放出素子は、
前記電子放出材が、導電性を有し、前記下部電極と電気
的に接続して構成する。

【００１４】さらに、請求項４に示す電子放出素子は、
前記電子放出材を、柱状体に形成して構成する。

【００１５】また、請求項５に示す電子放出素子は、前
記電子放出材を、前記細孔の内壁を覆う中空の環状体に
形成して前記下部，上部電極の何れかと電気的に接続し
て構成する。

【００１６】そして、請求項６に示す電子放出素子は、
前記電子放出材の炭素を、グラファイト，アモルファス
カーボン，ダイヤモンドライクカーボンのいずれかを含
む炭素として構成する。

【００１７】さらに、請求項７に示す電子放出素子は、
前記電子放出材の金属を、Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｈ
ｆ，Ｉｒのいずれかの金属として構成する。

【００１８】また、請求項８に示す電子源は、請求項１
〜７に記載の電子放出素子を、基体上に多数配列して備
えて構成する。

【００１９】そして、請求項９に示す電子源は、基体上
に帯状配線を多数配列して前記下部電極の配列群とし、
それら下部電極の配列群の上に、前記誘電体層を帯状に
設けると共に、さらに帯状配線を交差させて多数配列し
て前記上部電極の配列群として構成する。

【００２０】さらに、請求項１０に示す撮像装置は、平
行に離間させた第一基板と第二基板の隙間に枠部材を設
けて封止した真空容器内に、請求項８または９に記載の
電子源を、光導電部材と対向させ備えて構成する。

【００２１】また、請求項１１に示す画像形成装置は、
平行に離間させた第一基板と第二基板の隙間に枠部材を
設けて封止した真空容器内に、請求項８または９に記載
の電子源を、画像形成部材と対向させ備て構成する。

【００２２】そして、請求項１２に示す電子放出素子の
製造方法は、基体上に下部電極を形成する工程１と、前
記下部電極の上に、あるいは多層化の前工程で形成した
下層の誘電体層の上に誘電体層を形成する工程２と、前
記工程２を適宜に繰り返して形成した多層の誘電体層の
上に上部電極を形成する工程３と、前記上部電極の上に
金属層を形成する工程４と、前記金属層を陽極酸化し
て、多孔質の酸化膜を形成する工程５と、前記酸化膜を
マスクにした陽極酸化により下部電極に達する細孔を形
成する工程６と、前記酸化膜を剥離する工程７と、前記
細孔内に電子放出材を形成する工程８とを有して行う。

【００２３】さらに、請求項１３に示す電子放出素子の
製造方法は、前記工程５での酸化膜を形成する陽極酸化
を、形成される酸化膜の底部に金属層が残るように途中
で止めて、残した金属層を、前記工程７における剥離膜
として用いる。

【００２４】以上の構成により請求項１の電子放出素子
は、上下両電極間の誘電体層が多層構造とされ、上部電
極と接する最上層が、下層よりも比誘電率の小さい誘電
体層とされる。このように誘電体層を多層にすると、上
部電極，下部電極へ電圧を加えた駆動時における等電位
面は、比誘電率の小さい誘電体層に集中し、これは多層
相互間の比誘電率の比率差が大きいほどその傾向が強く
なる。ここでは、比誘電率の小さい誘電体層が上部電極
と接するので、電界の集中する場所を上部電極の直下に
固定することができる。そして、比誘電率の大きい誘電
体層には電位がかからないため、内部の電界を減少させ
ることができる。

【００２５】従って、下層側の比誘電率の大きい誘電体
層の厚さを増すことにより、素子駆動時において容量成
分による電流を減らすことができ、その場合、上部電極
と接する最上層の厚さを一定に保つことで、素子電圧Ｖ
ｆをほぼ一定に保つことができ、高電圧を加えなくても
よい。

【００２６】また、請求項１２の電子放出素子の製造方
法は、下部電極，多層の誘電体層，上部電極，金属層を
順に形成し、その金属層を陽極酸化により多孔質の酸化
膜に形成して、その酸化膜をマスクとして電子放出素子
を形成することに製法上の特徴がある。

【００２７】この製造方法によると、多層の誘電体層は
堆積により形成されるので、各層の厚さのばらつきを小
さくでき、各層の堆積条件に依存するものの、これは従
来素子の陽極酸化膜における厚さのばらつき（平坦性の
悪さ）よりもかなり小さくできる。即ち、本発明にかか
る製造方法によれば、多層の誘電体層を厚さのばらつき
を抑えて形成でき、これにより上部電極を平坦に形成す
ることができ、誘電体層と上部電極の界面を乱れなく形
成できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる電子放出素
子及びその製造方法の実施形態を添付図面に基づいて説
明する。

【００２９】（第１実施形態）図１は、本発明の第１実
施形態を示す電子放出素子であり、（ａ）はその平面
図、（ｂ）は（ａ）をＡ−Ａ矢視した断面図である。

【００３０】図１において、１は基板、２は下部電極、
３は多層の誘電体層、４は上部電極、５は電子放出材、
６は細孔である。

【００３１】この電子放出素子は、基板１上に、下部電
極２，多層の誘電体層３，上部電極４を順に積層した構
成とされており、ここでは多層の誘電体層３は、第一の
誘電体層３ａ，第二の誘電体層３ｂの二層構造とされ、
上部電極４側から下部電極２に達して細孔６が形成され
ている。細孔６には炭素あるいは金属からなる電子放出
材５が堆積され、これは下部電極２と電気的に接続する
状態に堆積されて電子を放出するための電子放出部とな
っている。

【００３２】基板１としては、石英ガラス，Ｎａ等の不
純物含有量を減少したガラス，青板ガラス，青板ガラス
にスパッタ法等により形成したＳｉＯ₂ を積層したガラ
ス基板，アルミナ等のセラミックス基板，Ｓｉ基板，Ｓ
ｉＯ₂ を積層したＳｉ基体等を用いることができる。特
に、基板１を、ＳｉＯ₂ を積層したＳｉ基体等の半導体
材料から形成すると、当該電子放出素子を駆動するため
のドライバー等を共に配設することができる。

【００３３】下部電極２としては、Ａｌ，Ｐｔ，Ｃｒ，
Ｔａ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｉ等の金属や半導体
が用いられる。下部電極２の膜厚は、陽極酸化層の膜厚
及び電極としての電気抵抗等を考慮して適宜に設定され
る。そして、この下部電極２は、電子放出材５と直列に
接続することになるため、部材の比抵抗及び膜厚を適当
に選択することで素子の安定化抵抗として作用させるこ
とができる。

【００３４】第一，第二の誘電体層３ａ，３ｂは、使用
する誘電体材料が、ＳｉＯ₂ （比誘電率ε_r ＝３．
９），Ｓｉ₃ Ｎ₄ （ε_r ＝７．５），Ａｌ₂ Ｏ₃ （ε_r
＝９〜１１），Ｔａ₂ Ｏ₅ （ε_r11 ＝３０），ＭｇＯ
（ε_r ＝９．６５），ＰｂＯ（ε_r＝２５．９），Ｔｉ
Ｏ₂ （ε_r11 ＝８６ｒｏｕｔｉｌｅ），ポリイミド
（ε_r＝３〜４）などの中から、以下の条件で選択され
る。

【００３５】つまり、上部電極４と接する最上側の第二
の誘電体層３ｂは、下層の第一の誘電体層３ａよりも比
誘電率が小さいものとなるように適当に組み合わせられ
る。そして、その厚さは、使用する誘電体材料について
耐電圧を考慮する必要はあるが、上部電極４と接する最
上側の第二の誘電体層３ｂが、下層の第一の誘電体層３
ａよりも薄くなるようにすることが望ましい。

【００３６】上部電極４としては、例えばＷ，Ｍｏ，Ｔ
ａ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｉｒ，Ｐｔ等の、耐熱性があり低抵抗
な金属が望ましく、この電極材料には製造時においてア
ルミニウムの剥離液に対して選択性を有することが求め
られる。

【００３７】第一の誘電体層３ａ，第二の誘電体層３
ｂ，上部電極４には、下部電極２に達して細孔６が形成
されており、これには上部電極４上に形成したアルミニ
ウムによる多孔質の酸化膜をマスクとして、Ａｒによる
ミリング、あるいはイオンによる反応性イオンエッチン
グを行うことにより、当該マスク（酸化膜）の孔部を掘
り下げて微細な細孔６を形成している。

【００３８】マスクとして用いる酸化膜には、規則的あ
るいは不規則な孔部が存在し、このため多孔質の膜層と
呼んでいる。規則的あるいは不規則な孔部の形成は、陽
極酸化を行う溶液の組成，液温，電圧，時間等といった
陽極酸化の条件を適宜に選択して行われる。本実施形態
では、マスク（酸化膜）に規則的な孔部を形成させてい
て、これを掘り下げた細孔６は、その径及び深さを数十
ｎｍから数百ｎｍに形成され、その密度は１０⁸ 〜１０
¹²（個／ｃｍ² ）とされており、この密度は、電子放出
が行われる微小な面積（電子放出点と呼ぶことにする）
の密度に対応する。

【００３９】細孔６には、電子放出材５として炭素ある
いは金属が堆積されている。この電子放出材５は、当該
細孔６の一部を埋める支柱状に形成されるが、上部電極
４との間には所定の間隙が設定されており、下部電極２
にのみ電気的に接続されている。

【００４０】このように、規則的な孔部を形成させたマ
スク（酸化膜）により細孔６を形成しているので、電子
放出材５を高密度で規則的に設けることができ、このた
め電子放出電流Ｉｅを効率よく安定に得ることができ
る。

【００４１】電子放出材５としての炭素は、グラファイ
ト，アモルファスカーボン，ダイヤモンドライクカーボ
ンであって、上部電極４との間隙は、後述する上下両電
極に電圧を印加する工程において電圧値，通電時間等の
条件設定に応じて適宜に変更でき、数ｎｍから数十ｎｍ
とされている。このような炭素にすると、耐熱性に優れ
て安定な電子放出特性を再現性良く実現できる。

【００４２】また、電子放出材５としての金属は、Ｗ，
Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｈｆなどの耐熱性金属であって、上
部電極４との隙間は、電界めっき，無電界めっき，蒸着
などの方法を用いて上部電極４と下部電極２との間の抵
抗を測定しながら製作することで適宜に変更でき、やは
り数ｎｍから数十ｎｍとされている。このような耐熱性
金属にすると、安定な電子放出特性を再現性良く実現で
きる。

【００４３】なお、本実施形態では、電子放出材５を細
孔６内へ単に堆積させたが、これに限定されるものでは
なく、例えば図２（ａ），（ｂ）に示すような構成を採
ってもよい。つまり、図２（ａ）に示すように、電子放
出材５を、先端の尖った円錐状の柱状体２８に形成して
もよい。このような形状を製作するには、例えば前述し
たＣ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔらによる製作方法を用いて、蒸
着により堆積させる形成方法等がある。

【００４４】また、図２（ｂ）に示すように、電子放出
材５を、細孔６の内壁を覆う中空の環状体２９に形成し
てもよい。このような形状を製作するには、例えばスパ
ッタ法によりＰｔ−Ｐｄ等の超微粒子を孔内壁に付着さ
せ、この材料を核にして結晶成長させる形成方法があ
る。なお、後述するように、有機材料を気体状に存在さ
せた雰囲気での製作工程において、炭素が細孔の孔内壁
に付着して中空の環状体形状になることがある。

【００４５】〔製造方法〕図３は、図１の電子放出素子
の製造工程を順に説明する断面図であり、この電子放出
素子の製造には、同図に示す製造工程を順に実施する。

【００４６】（工程ａ）工程ａは、基板１上に、金属あ
るいは半導体の下部電極２を形成する工程であり、基板
１を、洗剤，純水及び有機溶剤等を用いて十分に洗浄
し、真空蒸着法やスパッタ法等により電極材料を堆積さ
せた後に、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて下
部電極２を形成する。また、下部電極２をメッキにより
形成しても良い。

【００４７】（工程ｂ）工程ｂは多層の誘電体層３，上
部電極４，金属層３７を順に形成する工程であり、下部
電極２の上に、真空蒸着法，スパッタ法等により第一の
誘電体層３ａ，第二の誘電体層３ｂを堆積させた後に、
例えばフォトリソグラフィー技術を用いて上部電極４と
金属層３７とを形成する〔図３（ａ）〕。

【００４８】（工程ｃ）工程ｃは、金属層３７を陽極酸
化して酸化膜３８を形成する工程であり、この陽極酸化
は例えば図４に示す陽極酸化装置を用いて行う。図４に
おいて、４１は陽極酸化を行う浴槽、４２は陽極酸化の
電解液、４３は対向電極、４４は電源、４５はＯリング
である。

【００４９】電解液４２としては、Ａｌ等の金属では、
硫酸，スルファミン酸，リン酸等の無機酸や、シュウ
酸，マロン酸，コハク酸等の有機酸等の水溶液を用い
る。さらに、溶媒として、エチレングリコール，グリセ
リン，デキストリン等の多価アルコールを加える場合が
ある。

【００５０】対向電極４３には、Ａｌ，Ｐｔ等の金属を
用いる。陽極酸化は、対向電極４３を陰極とし、基板１
を陽極として、電源４４から通電することにより行う。
このとき酸化膜３８には、細孔６となる微細な孔部が形
成される〔図３（ｂ）〕。

【００５１】この陽極酸化した酸化膜３８の幾何学構造
は、製作条件により制御できる。細孔６となる孔部間の
間隔は、陽極酸化の電圧により制御でき、孔部の深さは
陽極酸化時間により、そして孔径は電解液４２の組成，
電圧，電流等の条件により制御できる。また、孔部の規
則性，不規則性の制御も、上記した条件を適宜に変更す
ることにより行う。次に、酸化膜３８を形成した基板１
を、十分に水洗した後に、真空中で乾燥を行う。

【００５２】そして、この陽極酸化は、後述する剥離工
程のために金属層３７の一部を残した状態で終了とし、
その際、酸化膜３８の膜厚は、細孔６を下部電極２に達
して掘り下げるエッチング工程において、その膜層が残
る程度に厚くする必要がある。

【００５３】（工程ｄ）工程ｄは、陽極酸化した酸化膜
３８をマスクにして孔部を下部電極２に達して掘り下げ
て細孔６を形成する工程であり、酸化膜３８は電流回復
法等により膜層を薄くした上でＡｒ等のイオンミリング
により孔部を上部電極５，誘電体層３に対してほぼ垂直
に掘り下げて穴開けする〔図３（ｃ）〕。ただし、前述
した工程ｃで一部残した金属層３７がアルミニウムの場
合は、その一部残した金属の膜層を塩素系の反応性ガス
により予め除いておく必要がある。

【００５４】（工程ｅ）工程ｅは剥離工程であり、基板
１をエッチング液に浸漬して、酸化膜３８の剥離を行う
〔図３（ｄ）〕。陽極酸化を行った金属層３７がアルミ
ニウムの場合は、燐酸系のエッチング液を用いて剥離が
可能である。

【００５５】（工程ｆ）工程ｆは、誘電体層３の細孔６
内に電子放出材５を形成する工程であり、有機材料を気
体状に存在させた雰囲気で炭素を形成する工程ｆ１と、
細孔６内に金属を形成する工程ｆ２と、有機材料を液体
状に存在させた雰囲気で炭素（ダイヤモンドライクカー
ボン）を形成する工程ｆ３とがある。

【００５６】（工程ｆ１）工程ｆ１は、細孔６内に炭素
による電子放出材５を形成する工程であり、有機材料を
気体状に存在させた雰囲気で、上部電極４及び下部電極
２に電圧を印加することにより、誘電体層３の細孔６内
に炭素を形成する工程である。本工程で形成される炭素
とは、例えばグラファイト（いわゆるＨＯＰＧ，ＰＧ，
ＧＣを包含し、ＨＯＰＧはほぼ完全なグラファイトの結
晶構造、ＰＧは結晶粒が２００オングストローム程度で
結晶構造がやや乱れたもの、ＧＣは結晶粒が２０オング
ストローム程度になり結晶構造の乱れがさらに大きくな
ったもの），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グラファイトの微結晶の混合
物）である〔図３（ｅ）〕。

【００５７】この工程ｆ１は、図５に示す真空処理装置
を用いて行うものであり、同図では、前述した図１に示
す電子放出素子と同一構成部分には同一符号を付してそ
の説明を省略する。図５において、５５は真空容器、５
６は排気ポンプ、５７は有機ガス供給源である。

【００５８】真空容器５５内には、図１の電子放出素子
７が収容されている。即ち、１は基板、２は下部電極、
３は多層の誘電体層、４は上部電極、５１は電子放出素
子に素子電圧Ｖｆを印加するための電源、５０は下部電
極２，上部電極４間を流れる素子電流Ｉｆを測定するた
めの電流計、５４は電子放出素子７の放出電子による電
子放出電流Ｉｅを捕捉するためのアノード電極である。
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は電子放出素子より放出される電子放出電流Ｉ
ｅを測定するための電流計である。例えば、アノード電
極５４の電圧を０〜１０ｋＶの範囲として、アノード電
極５４と電子放出素子７との距離Ｈを１００μｍ〜８ｍ
ｍの範囲として製作及び測定を行うことができる。

【００５９】真空容器５５内には、図示を省略したが真
空計等の各種の測定機器が設けられていて、所定に設定
した真空雰囲気において測定，評価を行えるようになっ
ている。排気ポンプ５６は、ターボポンプ，ロータリー
ポンプ等からなる高真空装置系と、イオンポンプ等から
なる超高真空装置系とにより構成されている。そして、
真空容器５５に収容した電子放出素子７は、図示しない
ヒーターにより所定温度、例えば３５０℃に加熱される
構成となっている。

【００６０】真空容器５５に基板１を収容し、排気して
真空の雰囲気にした後に、有機ガス供給源５７から有機
ガスを内部に導入して、有機物質のガスを含有する雰囲
気下で上部電極４，下部電極２間に電圧を印加する。こ
の電圧波形はパルス波形として繰り返し印加する。これ
には、パルス波高値を定電圧としたパルスを連続的に印
加する図６（ａ）に示した方法と、パルス波高値を増加
させながら電圧パルスを印加する図６（ｂ）に示した方
法がある。

【００６１】このパルス電圧の印加は、定電圧パルスを
連続的に印加する図６（ａ）の方法では、上部電極４あ
るいは下部電極２の一方を高電位に、他方を低電位に固
定することになり、上部電極４を低電位にすると、炭素
は主に高電位側の下部電極２に形成される。また、パル
ス波高値を漸次増加させて印加する図６（ｂ）の方法で
は、上部電極４と下部電極２間において電位が交番する
ことになり、上部電極４，下部電極２の双方に炭素が形
成される。

【００６２】図６（ａ）において、Ｔ１及びＴ２は電圧
波形のパルス幅とパルス間隔である。パルス幅Ｔ１は１
マイクロ秒〜１０ミリ秒、パルス間隔Ｔ２は１０マイク
ロ秒〜１００ミリ秒の範囲で設定される。三角波の波高
値は、本工程の対象物（電子放出素子７）の形態に応じ
て適宜に選択される。このような条件のもと、例えば、
数秒から数十分間電圧を印加する。パルス波形は三角波
に限定されるものではなく、矩形波など適宜な波形を採
用することができる。

【００６３】図６（ｂ）においてもパルス幅Ｔ１，パル
ス間隔Ｔ２は、図６（ａ）と同様とすることができ、三
角波の波高値は、例えば０．１Ｖステップ程度毎に増加
させることができる。

【００６４】この雰囲気は、一旦十分に排気した真空中
に適当な有機物質のガスを導入することによっても得ら
れる。このときの好ましい有機物質のガス圧は、電子放
出素子７の形態、真空容器５５の形状や、有機物質の種
類などにより異なるため場合に応じて適宜に設定され
る。適当な有機物質としては、アルカン，アルケン，ア
ルキンの脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類、アルコ
ール類、アルデヒド類、ケトン類、アミン類、フェノー
ル，カルポン，スルホン酸等の有機酸類等を挙げること
ができ、具体的には、メタン，エタン，プロパンなどＣ
_n Ｈ_2n+2で表される飽和炭化水素、エチレン，プロピレ
ンなどＣ_n Ｈ_2n等の組成式で表される不飽和炭化水素、
ベンゼン、トルエン、メタノール、エタノール、ホルム
アルデヒドアセトアルデヒド、アセトン、メチルエチル
ケトン、メチルアミン、エチルアミン、フェノール、蟻
酸、酢酸、プロピオン酸等が使用できる。また、有機ガ
スは、誘電体層３に形成された細孔６の径に応じても選
択される。即ち、有機ガスの吸着は、細孔６の径にも依
存するからである。

【００６５】この処理により、雰囲気中に存在する有機
物質から、炭素が誘電体層３の細孔６内に堆積し、これ
により素子電流Ｉｆ，電子放出電流Ｉｅが著しく変化す
るようになる。本工程の終了判定は、素子電流Ｉｆ，電
子放出電流Ｉｅを測定しながら行う。

【００６６】なお、工程ｆ１において、雰囲気ガスの分
圧，パルス電圧の印加方法を適宜に変更することによ
り、図２（ｂ）に示すように、炭素からなる電子放出材
５が、細孔６の孔内壁に付着して覆う中空の環状体２９
に形成されることがある。

【００６７】（工程ｆ２）工程ｆ２は、細孔６内に金属
による電子放出材５を形成する工程であり、融点の高い
金属をスパッタ法、あるいは基板１を回転させながら電
子ビームにより蒸着する方法により、図２（ａ）に示す
ように、電子放出部材となる金属が、先端の尖った円錐
状の柱状体２８に形成される。この柱状体２８の高さ
は、基板１と蒸着源との角度により制御される。高融点
の金属材料としては、例えばＷ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｈ
ｆ，Ｉｒなどが挙げられる。

【００６８】（工程ｆ３）工程ｆ３は、有機材料を液体
状に存在させた雰囲気で、細孔６内に炭素（ダイヤモン
ドライクカーボン）を形成する工程であり、下部電極２
側を陽極として電圧を印加することにより誘電体層３の
細孔６内に炭素を形成する工程である。

【００６９】図４と同様の装置を用いて電解液４２をア
ルコールとし、下部電極２側を陽極として対向電極４３
との間で電解し、細孔６中にダイヤモンドライクカーボ
ンを下部電極２側から析出させる。このダイヤモンドラ
イクカーボンは、電解時間に応じて細孔６内に柱状に成
長して堆積する。

【００７０】（工程ｇ）工程ｇは、安定化工程であり、
製造した電子放出素子の特性を安定化させる工程であ
る。本工程は、工程ｆを終了した電子放出材５につい
て、有機材料の中間生成物及び基板１等に吸着された有
機ガス，水，酸素等を除去することで、素子電流Ｉｆ，
電子放出電流Ｉｅが、当該素子への印加電圧に対して所
定のしきい値以上では単調増加する特性を付与すること
ができる。

【００７１】即ち、本工程は、真空容器５５内の有機物
質を排気する工程であり、真空容器５５の排気を行う排
気ポンプ５６は、製作素子の特性に影響を与えないよう
にするため、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、ソープションポンプ，イオンポンプ
等の真空排気装置が挙げられる。

【００７２】真空排気装置内の有機成分の分圧は、炭素
及び炭素化合物がほぼ新たに堆積しない分圧で１．３×
１０^-6Ｐａ以下が好ましく、さらには１．３×１０^-8Ｐ
ａ以下がより好ましい。そして、真空装置内を排気する
ときには、当該装置の全体を加熱して、装置内壁や電子
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。このときの加熱条件は、１５０〜３００℃
で数時間以上が望ましいが、特にこの条件に限るもので
はない。

【００７３】安定化工程を行った後の駆動時の雰囲気
は、当該安定化処理終了時の雰囲気を維持するのが好ま
しいが、これに限るものではなく、有機物質が十分に除
去されていれば、真空度自体は多少低下しても十分に安
定な特性を維持することができる。そして、このような
真空雰囲気を採ると、新たな炭素物の堆積を抑制でき、
その結果、素子電流Ｉｆ，電子放出電流Ｉｅが安定す
る。

【００７４】以上の構成により本実施形態の電子放出素
子は、上下両電極４，２間の誘電体層３が多層構造とさ
れ、上部電極４と接する最上層が、下層よりも比誘電率
の小さい誘電体層３ｂとされる。このように誘電体層３
を多層にすると、上部電極４，下部電極２へ電圧を加え
た駆動時における等電位面は、比誘電率の小さい誘電体
層３ｂに集中し、これは多層相互間の比誘電率の比率差
が大きいほどその傾向が強くなる。ここでは、比誘電率
の小さい誘電体層３ｂが上部電極４と接するので、電界
の集中する場所を上部電極４の直下に固定することがで
きる。

【００７５】そして、比誘電率の大きい誘電体層３ａに
は電位がかからないため、内部の電界を減少させること
ができる。例えば、比誘電率の比率差を５以上にした場
合、等電位面を比誘電率の小さい誘電体層（３ｂ）に集
中でき、比誘電率の大きい誘電体層（３ａ）には電界が
ほとんどかからなくなる。

【００７６】従って、下層側の比誘電率の大きい誘電体
層３ａの厚さを増すことにより、素子駆動時において容
量成分による電流を減らすことができ、その場合、上部
電極４と接する最上層（３ｂ）の厚さを一定に保つこと
で、素子電圧Ｖｆをほぼ一定に保つことができ、高電圧
を加えなくてもよい。そして、比誘電率の小さい誘電体
層３ｂには高耐圧の材料を用いてその膜厚を低減するこ
とにより、従来よりも低電圧により素子を駆動すること
ができ、素子駆動の低電圧化を図れる。

【００７７】また、前述したように本発明にかかる製造
方法は、下部電極２，第一の誘電体層３ａ，第二の誘電
体層３ｂ，上部電極４，金属層３７を順に形成し、その
金属層３７を陽極酸化により多孔質の酸化膜３８に形成
して、その酸化膜３８をマスクとして電子放出素子を形
成することに製法上の特徴がある。

【００７８】この製造方法によると、多層の誘電体層３
は堆積により形成されるので、各層の厚さのばらつきを
小さくでき、各層の堆積条件に依存するものの、これは
従来素子の陽極酸化膜における厚さのばらつき（平坦性
の悪さ）よりもかなり小さくできることを実験により確
認している。即ち、本発明にかかる製造方法によれば、
多層の誘電体層３を厚さのばらつきを抑えて形成でき、
これにより上部電極４を平坦に形成することができ、誘
電体層３と上部電極４の界面を乱れなく形成できる。従
って、電界を乱れなく加えることができ、その結果、電
子放出の開始がばらつくことを防げて、放出電子の軌道
を安定化することができ、そして電子ビームの発散を防
止することができる。

【００７９】また、多層の誘電体層３を堆積形成するの
で、各種の材料を適用することができ、従来素子の陽極
酸化膜と違って材料選択の幅が広い。このため、例えば
第一の誘電体層３ａと第二の誘電体層３ｂとに、エッチ
ングの選択比を持たせて第二の誘電体層３ｂだけをエッ
チングすることで細孔６側面のリーク電流を防ぐように
することができ、電子放出材５へ電界を効率よく集中し
得る構造を形成できる。

【００８０】以上のことから、当該電子放出素子を用い
た電子源，撮像装置，画像形成装置については、放出電
子の軌道が安定化し、発散なく集中した電子ビームを得
られることにより、扱う情報信号の再現性（解像度）を
向上することができる。

【００８１】（第２実施形態）図９は、本発明の第２実
施形態を示し、電子放出素子を用いた撮像装置であり
（ａ）はその断面図、（ｂ）はその平面図である。

【００８２】図９において、９０は支持枠、９１は電子
源をなすリアプレート、９２は下部電極をなすＸ方向配
線、９３は多層の誘電体層、９４は上部電極をなすＹ方
向配線、９５は例えばＳｅ等の光導電部材、９６は透明
電極、９７はフェイスプレート、９８は素子電圧Ｖｆを
印加する駆動電源、９９は光導電部材９５へターゲット
電圧を印加するターゲット電源、９００は電流増幅器で
ある。なお、駆動電源９８の接続は、Ｘ方向配線９２，
Ｙ方向配線９４の配列全てに対して選択的に接続される
が、同図には接続状態を省略して示している。

【００８３】支持枠９０には、上下にフェイスプレート
９７，リアプレート９１が固着されており、真空容器に
構成されている。

【００８４】本実施形態は、真空容器内に、第１実施形
態の電子放出素子を多数配列して電子源とすると共に、
この電子源と光導電部材９５とを対向させて備えて撮像
装置に構成したものである。

【００８５】即ち、リアプレート９１は電子源に構成さ
れており、Ｘ方向配線９２の上に、引出し配線部を除い
て誘電体層９３が形成され、さらにＸ方向配線９２と直
交させてＹ方向配線９４が形成されていて、Ｘ方向配線
９２とＹ方向配線９４の交点部分が、図１に示すものと
同様な電子放出素子となっている。

【００８６】なお、当該撮像装置にあっては、後述する
ように電子ビームの収束系は必要なく、設けていない。

【００８７】この撮像装置の動作は、いわゆる撮像管と
同様であり、リアプレート９１上の電子源から放出され
た電子ビームにより読み出しが行われ、フェイスプレー
ト９７に光が入力されると、光導電部材９５において、
入射光によって生成されたホールが、光導電部材９５に
印加された電界によってリアプレート９１方向へ加速さ
れ、アバランシェ増倍される。一方、リアプレート９１
上の電子源からは電子ビームが放出されるので、光導電
部材９５には、蓄積されたホールに対応した分の電子注
入が起こり、それ以上の電子ビームは、リアプレート９
１方向へ戻されてＹ方向配線９４に流れる。従って、光
導電部材９５からは、入射光により生成されたホールに
対応した信号電流が、透明電極９６を介して電流増幅器
９００へ出力される。

【００８８】この場合、リアプレート９１上の電子源
は、これへ用いた各電子放出素子が、放出電子の軌道を
安定化することができ、発散なく集中した電子ビームを
効率よく得られることから、電子放出をばらつきなく安
定に行えて、扱う情報信号の再現性（解像度）を向上す
ることができる。また、発散なく集中した電子ビームを
得られることから、電子ビームの収束系は必要なく、装
置構成を簡略化することができる。

【００８９】（第３実施形態）図１０は、本発明の第３
実施形態を示し、電子放出素子を用いた画像形成装置で
あり（ａ）はその断面図、（ｂ）はその平面図である。

【００９０】図１０において、１００はリアプレート、
１０１は電子源基板、１０２は下部電極をなすＸ方向配
線、１０３は多層の誘電体層、１０４は上部電極をなす
Ｙ方向配線、１０５はメタルバック、１０６は蛍光膜、
１０７はフェイスプレート、１０８は素子電圧Ｖｆを印
加する駆動電源、１０９はメタルバック１０５へアノー
ド電圧を印加する高圧電源、１１０は支持枠である。な
お、駆動電源１０８の接続は、Ｘ方向配線１０２，Ｙ方
向配線１０４の配列全てに対して選択的に接続される
が、同図には接続状態を省略して示している。

【００９１】支持枠１１０には、上下にフェイスプレー
ト１０７，リアプレート１００が固着されており、真空
容器に構成されている。

【００９２】本実施形態は、真空容器内に、図１に示す
構成の電子放出素子を多数配列して電子源とすると共
に、この電子源と画像形成部材（蛍光膜１０６）とを対
向させて備えて画像形成装置に構成したものである。

【００９３】即ち、電子源基板１０１には電子源が構成
されており、Ｘ方向配線１０２の上に、引出し配線部を
除いて陽極酸化絶縁層１０３が形成され、さらにＸ方向
配線１０２と直交させてＹ方向配線１０４が形成されて
いて、Ｘ方向配線１０２とＹ方向配線１０４の交点部分
が、図１に示すものと同様な電子放出素子となってい
る。そして、誘電体層１０３は、図１に示すように、第
一の誘電体層３，第二の誘電体層４の二層構造に形成さ
れている。

【００９４】蛍光膜１０６は、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ
（青）の各色の蛍光体及びブラックストライプを備えて
形成され、メタルバック１０５はＡｌ等により形成され
ている。

【００９５】以上のように構成した画像形成装置におい
て、電子源基板１０１上に２次元配列された各電子放出
素子には、図示しない信号発生手段から走査信号，変調
信号をＸ方向配線１０２列，Ｙ方向配線１０４列へそれ
ぞれ印加して、選択的に電子放出を起こさせるものであ
り、このときメタルバック１０５には高圧電源１０９か
ら数ｋＶ以上の高電圧を印加して電子ビームを加速し、
蛍光膜１０６へ衝突させて励起，発光させ、これにより
画像の表示を行う。

【００９６】この場合、電子源基板１０１上の電子源
は、これへ用いた各電子放出素子が、放出電子の軌道を
安定化することができ、発散なく集中した電子ビームを
効率よく得られることから、電子放出をばらつきなく安
定に行える。従って、扱う情報信号の再現性（解像度）
を向上することができ、高精細で明るい画像を表示でき
る。

【００９７】また、発散なく集中した電子ビームを得ら
れることから、電子ビームの収束系は必要なく、装置構
成を簡略化することができる。

【００９８】

【実施例】以下、本発明にかかる電子放出素子及びその
製造方法とそれを用いた電子源，撮像装置，画像形成装
置の実施例を説明する。

【００９９】（実施例１）実施例１は、図１に示す構成
の電子放出素子を製作したものであり、第１実施形態で
説明した製造工程に従って実施した。

【０１００】図７は、実施例１で製作した電子放出素子
を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）をＢ−Ｂ
矢視した断面図である。

【０１０１】図７において、７１は基板、７２は帯状の
下部電極、７３は多層の誘電体層、７４は帯状の上部電
極であり、下部電極７２と上部電極７４の交差部が単位
素子をなし、本実施例では基板７１上に、図１の電子放
出素子を５個並べて製作した。また、多層の誘電体層７
３は、第一の誘電体層７３ａと第二の誘電体層７３ｂを
順に積層したもので、上層の第二の誘電体層７３ｂを、
下層の第一の誘電体層７３ａよりも比誘電率の小さい誘
電体層とした。

【０１０２】また、本実施例では、基板７１を４枚用意
して２枚を一組とし、第１組，第２組で製作条件を一部
変更して製作を行った。

【０１０３】（工程ａ）基板７１上に、金属の下部電極
７２を形成する工程ａを行った。つまり、石英ガラスの
基板７１を、洗剤，純水及び有機溶剤等を用いて十分に
洗浄し、Ａｌ材料をスパッタ法により膜厚２００ｎｍに
堆積させた後、フォトリソグラフィー技術を用いて、下
部電極７２となる帯状パターンを基板７１上に５本並べ
て形成した。

【０１０４】（工程ｂ）下部電極７２の上に、多層の誘
電体層７３，上部電極７４，金属層を順に形成する工程
ｂを行った。つまり、第一の誘電体層７３ａとしてＡｌ
₂ Ｏ₃ をスパッタ法等により膜厚約１００ｎｍに堆積さ
せ、第二の誘電体層７３ｂとしてＳｉＯ₂ を膜厚約１０
ｎｍに堆積させ、そして上部電極７４としてＰｔを膜厚
約２０ｎｍに堆積させた。この後、高純度のＡｌを膜厚
約３００ｎｍに堆積させて金属層を形成し、続いて、そ
の金属層に対して、フォトリソグラフィー技術を用いて
塩素系のドライエッチングを行い、次にガスの種類をＡ
ｒに変えて上部電極７４となる膜層パターンをドライエ
ッチングにより下部電極７２との交差方向に１本形成し
た。

【０１０５】次に、その膜層パターン（金属層）上のレ
ジストを残したまま、ＳｉＯ₂ をスパッタにより堆積さ
せて当該パターン周囲の保護膜層とし、この後、その膜
層パターン（金属層）上に残されているレジスト膜，Ｓ
ｉＯ₂ 膜を剥離した。

【０１０６】（工程ｃ）工程ｂの金属層を陽極酸化して
酸化膜を形成する工程ｃを行った。つまり、図４に示す
陽極酸化装置図を用いて、工程ｂで製作したＡｌによる
金属層を陽極酸化させた。対向電極４３にはＰｔ電極を
用いた。陽極酸化は、対向電極４３を陰極とし、基板７
１に設けた下部電極７２を陽極にして以下のように行っ
た。

【０１０７】即ち、酸化膜の形成は、液温５℃で濃度
０．３ｍｏｌ／ｌのシュウ酸水溶液を電解液４２とし、
当該溶液中において４０Ｖの定電圧で酸化を行った。こ
のとき、電流値は次第に減少して最終的に１〜２ｍＡ／
ｃｍ² でほぼ一定になり、当該酸化膜に微細な孔部が形
成された。

【０１０８】なお、この陽極酸化は、金属層の一部を残
した状態で終了とするものであり、残る金属層を後の剥
離工程での剥離層として使用するために、酸化膜の底部
に、上部電極７４と接して金属層が膜厚約１００ｎｍに
残った途中状態で止めた。そして、電流回復法により当
該酸化膜の底部（金属層領域）の膜厚を薄くした。さら
に、酸化膜に形成した微細な孔部径を、燐酸を用いて適
切な大きさに広げて、このとき酸化膜の底部（金属層領
域）を除去した。

【０１０９】次に、この酸化膜を形成した基板７１を、
十分に水洗した後、真空中で乾燥させた。

【０１１０】（工程ｄ）陽極酸化した酸化膜をマスクに
して孔部を下部電極７２に達して掘り下げて細孔を形成
する工程ｄを行った。これにはまず、工程ｃの酸化膜を
マスクにして当該酸化膜の底部に残っている金属層領域
を、塩素系の反応性ガスでエッチングにより除去した。
次に、その酸化膜をマスクにして、Ａｒのイオンミリン
グにより上部電極７４，第二の誘電体層７３ｂ，第一の
誘電体層７３ａの順に掘り下げて穴開けした。

【０１１１】（工程ｅ）剥離する工程ｅを行った。つま
り、基板７１を燐酸系のエッチング液に浸漬して、工程
ｄにおいてマスクとした酸化膜を剥離した。

【０１１２】（工程ｆ１）有機材料を気体状に存在させ
た雰囲気で、誘電体層７３の細孔内に炭素を形成する工
程ｆ１を行った。つまり、図５に示す真空処理装置を用
いて、真空容器５５内に基板７１を収容し、１０^-1Ｐａ
のアセトンガスを含有する雰囲気下で、上部電極７４及
び下部電極７２に電圧を印加した。この印加電圧は、図
６（ａ）のような低電圧パルスであるが、ここでは、第
１組についてはパルス波高値１０Ｖ，パルス幅Ｔ１は１
ｍｓ，パルス間隔Ｔ２を１０ｍｓとした矩形波パルスを
３０分間印加した。そして、このとき同時に当該素子の
電流をモニターした。一方、第２組についてはパルス波
高値を１５Ｖとし、他の条件は第１組と同一にした。

【０１１３】（工程ｇ）安定化工程ｇを行った。つま
り、アセトンガスを十分に排気した後、２５０℃で加熱
しながら１０時間排気した。こうして図７（図１）に示
す電子放出素子の製作を完了した。

【０１１４】（評価）製作した素子基板を図５の真空処
理装置に収容し、各素子の下部電極７２，上部電極７４
及びアノード電極５４に電圧を印加して、素子電流Ｉ
ｆ，電子放出電流Ｉｅ，素子電圧Ｖｆについて電圧電流
特性を測定した。同時に、素子電圧Ｖｆをゆっくり掃引
して、電圧負性抵抗（ＶＣＮＲ）特性が発生するかどう
か確認した。また、電子ビームをアノード電極５４に設
置した蛍光体の発光により観察した。そして，測定を終
了した後に、製作サンプルを電子顕微鏡，平面ＴＥＭ等
で観察した。

【０１１５】図８は、製作した第１組，第２組素子につ
いて電圧電流特性を測定した結果を示し、（ａ）は素子
電流Ｉｆのグラフ図、（ｂ）は電子放出電流Ｉｅのグラ
フ図である。

【０１１６】その結果、実施例１の第１組，第２組の何
れも電圧電流特性は、素子電流Ｉｆ，電子放出電流Ｉｅ
共に、しきい値Ｖｔｈ以上では単調増加特性を示した。
また、電圧負性抵抗特性（ＶＣＮＲ特性）は発生しない
ことを確認した。これは安定化工程が有効に作用したも
のである。さらに、アノード電極５４で観察された電子
ビーム径は、上部電極７４と下部電極７２の重なり部分
とほぼ等しく、ビームの発散が少ないことを確認した。

【０１１７】電子顕微鏡で観察すると、誘電体層７３に
おいて、何れも図１（ａ）に示したような規則的な細孔
（６）が観察された。細孔の密度は、３×１０⁹ 個／ｃ
ｍ²であった。また、電子放出材をなす炭素は、細孔の
内部に存在するが、孔の上部には存在しないことを確認
した。さらに、平面ＴＥＭサンプルを製作して観察した
ところ、何れも細孔の中に、グラファイト質の炭素が存
在していることを確認できた。

【０１１８】（実施例２）実施例２は、図２（ａ）に示
す構成の電子放出素子を製作したものであり、そして実
施例１とは、製作条件を一部変更して製作を行った。

【０１１９】（工程ａ）基板１上に、金属の下部電極２
を形成する工程ａを行った。つまり、石英ガラスの基板
１を、洗剤，純水及び有機溶剤等を用いて十分に洗浄
し、Ａｌ材料をスパッタ法により膜厚２００ｎｍに堆積
させた後、フォトリソグラフィー技術を用いて、基板１
上に下部電極２となるパターンをストライプ状に形成し
た。

【０１２０】（工程ｂ）下部電極２の上に、多層の誘電
体層３，上部電極４，金属層を順に形成する工程ｂを行
った。つまり、第一の誘電体層３ａとしてＴａ₂ Ｏ₅ を
スパッタ法等により膜厚約１００ｎｍに堆積させ、第二
の誘電体層３ｂとしてポリイミドを膜厚約１０ｎｍに堆
積させ、そして上部電極４としてＷを膜厚約２０ｎｍに
堆積させた。この後、高純度のＡｌを膜厚約３００ｎｍ
に堆積させて金属層３７を形成し、続いて、その金属層
３７に対して、フォトリソグラフィー技術を用いて塩素
系のドライエッチングを行い、次にガスの種類をＣＦ₄
に変えて上部電極４となる膜層パターンをドライエッチ
ングにより下部電極２との交差方向に１本形成した。

【０１２１】次に、その膜層パターン（金属層３７）上
のレジストを残したまま、ＳｉＯ₂をスパッタにより堆
積させて当該パターン周囲の保護膜層とし、この後、そ
の膜層パターン（金属層３７）上に残されているレジス
ト膜，ＳｉＯ₂ 膜を剥離した。

【０１２２】（工程ｃ）工程ｂの金属層３７を陽極酸化
して酸化膜３８を形成する工程ｃを行った。つまり、図
４に示す陽極酸化装置図を用いて、工程ｂで製作したＡ
ｌによる金属層３７を陽極酸化させた。対向電極４３に
はＰｔ電極を用いた。陽極酸化は、対向電極４３を陰極
とし、基板１に設けた下部電極２を陽極にして以下のよ
うに行った。

【０１２３】即ち、酸化膜の形成は、液温５℃で濃度
０．３ｍｏｌ／ｌのシュウ酸水溶液を電解液４２とし、
当該溶液中において４０Ｖの定電圧で酸化を行った。こ
のとき、電流値は次第に減少して最終的に１〜２ｍＡ／
ｃｍ² でほぼ一定になり、当該酸化膜に微細な孔部が形
成された。

【０１２４】なお、この陽極酸化は、金属層３７の一部
を残した状態で終了とするものであり、残る金属層を後
の剥離工程で剥離層として使用するために、酸化膜３８
の底部に、上部電極４と接して金属層が膜厚約１００ｎ
ｍに残った途中状態で止めた。そして、電流回復法によ
り当該酸化膜３８の底部（金属層領域）の膜厚を薄くし
た。さらに、酸化膜３８に形成した微細な孔部径を、燐
酸を用いて適切な大きさに広げて、このとき酸化膜３８
の底部（金属層領域）を除去した。

【０１２５】次に、この酸化膜３８を形成した基板１
を、十分に水洗した後、真空中で乾燥させた。

【０１２６】（工程ｄ）陽極酸化した酸化膜３８をマス
クにして孔部を下部電極２に達して掘り下げて細孔６を
形成する工程ｄを行った。これにはまず、工程ｃの酸化
膜３８をマスクにして当該酸化膜３８の底部に残ってい
る金属層領域を、塩素系の反応性ガスでエッチングによ
り除去した。次に、その酸化膜３８をマスクにして、Ｃ
Ｆ₄ ガスのドライエッチングにより上部電極４を掘り下
げ、酸素ガスのドライエッチングにより第二の誘電体層
３ｂを掘り下げ、Ａｒのイオンミリングにより第一の誘
電体層３ａを掘り下げて穴開けした。

【０１２７】（工程ｅ）剥離工程ｅを実施例１と同様に
行った。

【０１２８】（工程ｆ２）誘電体層３の細孔６内に金属
による電子放出材５を形成する工程ｆ２を行った。つま
り、電子ビーム蒸着により高融点金属のＭｏを細孔６内
に蒸着させた。蒸着を進めるに連れて、細孔６の穴径が
蒸着したＭｏによって縮小し、結果的に図２（ａ）に示
すような構造体（先端の尖った円錐状の柱状体２８）が
形成された。

【０１２９】工程ｇは実施例１と同様に行った。こうし
て図２（ａ）に示す電子放出素子の製作を完了した。

【０１３０】（評価）製作した電子放出素子について、
実施例１と同様にして電圧電流特性等を測定，評価し
た。

【０１３１】その結果、実施例２の電圧電流特性は、実
施例１と同様であり、素子電流Ｉｆ，電子放出電流Ｉｅ
共に、しきい値Ｖｔｈ以上では単調増加特性を示した。
そして、しきい値以下では、無視できる電流であった。
従って、実施例２については、素子電流Ｉｆ，電子放出
電流Ｉｅが共に非線形特性を示す非線形素子であること
を確認できた。また、電子放出電流Ｉｅは、実施例１の
素子と比べて５倍であった。これは多層の誘電体層３の
誘電率の比が大きいため、誘電率の値が小さい第二の誘
電体層３ｂに電界が集中したことによると考えられる。

【０１３２】電子顕微鏡で観察すると、多孔質性の孔が
観察された。さらに、平面ＴＥＭサンプルを製作して観
察したところ、細孔の中に、Ｍｏが存在していることを
確認できた。

【０１３３】（実施例３）実施例３は、実施例１の電子
放出素子を多数配列して単純マトリックスの電子源に構
成し、これを用いて図９に示す撮像装置を製作したもの
である。

【０１３４】即ち、前述した第２実施形態の撮像装置を
製作したものであり、リアプレート９１上の電子源をな
す各電子放出素子については、大きさを５０μｍ□とし
て実施例１と同様に製作した。また、光導電部材９７
は、Ｓｅを抵抗加熱蒸着法により厚さ４μｍに堆積させ
て形成した。リアプレート９１と光導電部材９７の間隔
は１ｍｍとした。

【０１３５】製作した撮像装置を動作させたところ、電
子源をなす各電子放出素子の大きさに１：１に対応した
信号電流が得られ、その動作を確認できた。

【０１３６】（実施例４）実施例４は、実施例１の電子
放出素子を多数配列して単純マトリックスの電子源に構
成し、これを用いて図１０に示す画像形成装置を製作し
たものである。

【０１３７】即ち、前述した第３実施形態の画像形成装
置を製作したものであり、電子源基板１０１上には２０
０×（１６０×３）の電子放出素子を配列して電子源を
構成し、それら各電子放出素子については、大きさを４
０μｍ□として実施例２と同様に製作した。また、蛍光
膜１０６には、ＣＲＴ用の高加速蛍光体Ｐ２２を用い
た。そして、電子源基板１０１とフェイスプレート１０
７との間隔は２ｍｍとして、メタルバック１０５には電
圧５ＫＶを印加した。

【０１３８】製作した画像形成装置を動作させたとこ
ろ、高精細で明るい画像を表示できることを確認した。

【０１３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の電子放出素
子及びその製造方法とそれを用いた電子源，撮像装置，
画像形成装置は、次に示すような優れた効果を奏する。

【０１４０】（１）本発明の電子放出素子は、上下両電
極間の誘電体層が多層構造とされ、上部電極と接する最
上層が、下層よりも比誘電率の小さい誘電体層とされ
る。このように誘電体層を多層にすると、上部電極，下
部電極へ電圧を加えた駆動時における等電位面は、比誘
電率の小さい誘電体層に集中し、これは多層相互間の比
誘電率の比率差が大きいほどその傾向が強くなる。ここ
では、比誘電率の小さい誘電体層が上部電極と接するの
で、電界の集中する場所を上部電極の直下に固定するこ
とができる。そして、比誘電率の大きい誘電体層には電
位がかからないため、内部の電界を減少させることがで
きる。

【０１４１】従って、下層側の比誘電率の大きい誘電体
層の厚さを増すことにより、素子駆動時において容量成
分による電流を減らすことができ、その場合、上部電極
と接する最上層の厚さを一定に保つことで、素子電圧Ｖ
ｆをほぼ一定に保つことができ、高電圧を加えなくても
よい。そして、比誘電率の小さい誘電体層には高耐圧の
材料を用いてその膜厚を低減することにより、従来より
も低電圧により素子を駆動することができ、素子駆動の
低電圧化を図れる。

【０１４２】（２）本発明の電子放出素子の製造方法
は、下部電極，多層の誘電体層，上部電極，金属層を順
に形成し、その金属層を陽極酸化により多孔質の酸化膜
に形成して、その酸化膜をマスクとして電子放出素子を
形成することに製法上の特徴がある。

【０１４３】この製造方法によると、多層の誘電体層は
堆積により形成されるので、各層の厚さのばらつきを小
さくでき、各層の堆積条件に依存するものの、これは従
来素子の陽極酸化膜における厚さのばらつき（平坦性の
悪さ）よりもかなり小さくできる。即ち、本発明にかか
る製造方法によれば、多層の誘電体層を厚さのばらつき
を抑えて形成でき、これにより上部電極を平坦に形成す
ることができ、誘電体層と上部電極の界面を乱れなく形
成できる。従って、電界を乱れなく加えることができ、
その結果、電子放出の開始がばらつくことを防げて、放
出電子の軌道を安定化することができ、そして電子ビー
ムの発散を防止することができる。

【０１４４】（３）本発明の電子源は、これへ用いた各
電子放出素子が、放出電子の軌道を安定化することがで
き、発散なく集中した電子ビームを効率よく得られるこ
とから、電子放出をばらつきなく安定に行えて、扱う情
報信号の再現性（解像度）を向上することができる。

【０１４５】（４）本発明の撮像装置は、これへ用いた
各電子放出素子が、放出電子の軌道を安定化することが
でき、発散なく集中した電子ビームを効率よく得られる
ことから、電子放出をばらつきなく安定に行えて、扱う
情報信号の再現性（解像度）を向上することができる。

【０１４６】（５）本発明の画像形成装置は、これへ用
いた各電子放出素子が、放出電子の軌道を安定化するこ
とができ、発散なく集中した電子ビームを効率よく得ら
れることから、電子放出をばらつきなく安定に行える。
従って、扱う情報信号の再現性（解像度）を向上するこ
とができ、高精細で明るい画像を表示できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示し、（ａ）は電子放
出素子の平面図、（ｂ）は（ａ）をＡ−Ａ矢視した断面
図である。

【図２】本発明にかかる電子放出素子の別の構成例を示
し、（ａ）は電子放出部を柱状体とした素子の断面図、
（ｂ）は電子放出部を環状体とした素子の断面図であ
る。

【図３】図１の電子放出素子の製造工程を順に説明する
断面図である。

【図４】図１の電子放出素子の製造に用いた陽極酸化装
置を示す構成図である。

【図５】図１の電子放出素子の製造に用いた真空処理装
置を示す構成図である。

【図６】電子放出部の形成工程での電圧波形を示すタイ
ミング図である。

【図７】実施例１の電子放出素子を示し、（ａ）はその
平面図、（ｂ）は（ａ）をＢ−Ｂ矢視した断面図であ
る。

【図８】実施例１の製作素子について電圧電流特性を測
定した結果を示し、（ａ）は素子電流Ｉｆの特性図、
（ｂ）は電子放出電流Ｉｅの特性図である。

【図９】本発明の第２実施形態を示し、（ａ）は電子放
出素子を用いた撮像装置の断面図、（ｂ）はその平面図
である。

【図１０】本発明の第３実施形態を示し、（ａ）は電子
放出素子を用いた画像形成装置の断面図、（ｂ）はその
平面図である。

【図１１】従来の電子放出素子を示し、（ａ）はその平
面図、（ｂ）は（ａ）をＣ−Ｃ矢視した断面図である。

【符号の説明】

１，７１基板（基体）２，７２下部電極３，７３，９３，１０３誘電体層３ａ，７３ａ第一の誘電体層３ｂ，７３ｂ第二の誘電体層４，７４上部電極５電子放出材６細孔２８柱状体２９環状体３０，３８酸化膜３７金属層４１浴槽４２電解液４３対向電極４４電源４５オーリング５０電源５１，５２電流計５３高圧電源５４アノード電極５５真空容器５６排気ポンプ５７有機ガス供給源９０，１１０支持枠（枠部材）９１，１００リアプレート９２，１０２Ｘ方向配線９４，１０４Ｙ方向配線９５光導電部材９６透明電極９７，１０７フェイスプレート９８，１０８駆動電源９９ターゲット電源１０１電子源基板１０５メタルバック１０６蛍光膜１０７フェイスプレート１０９高圧電源９００電流増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体上に、下部電極，誘電体層，上部電
極を順に設けて、前記誘電体層には細孔を形成すると共
に、当該細孔内に少なくとも炭素あるいは金属からなる
電子放出材を設けた電子放出素子において、前記誘電体
層は多層構造にして最上層を、下層よりも比誘電率の小
さい誘電体層としたことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】前記誘電体層の最上層は、その厚さを下
層よりも薄く形成したことを特徴とする請求項１に記載
の電子放出素子。
【請求項３】前記電子放出材が、導電性を有し、前記
下部電極と電気的に接続されてい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。
【請求項４】前記電子放出材を、柱状体に形成したこ
とを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電子放
出素子。
【請求項５】前記電子放出材を、前記細孔の内壁を覆
う中空の環状体に形成して前記下部，上部電極の何れか
と電気的に接続したことを特徴とする請求項１〜３のい
ずれかに記載の電子放出素子。
【請求項６】前記電子放出材の炭素が、グラファイ
ト，アモルファスカーボン，ダイヤモンドライクカーボ
ンのいずれかを含む炭素により構成されていることを特
徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電子放出素
子。
【請求項７】前記電子放出材の金属が、Ｗ，Ｍｏ，Ｔ
ａ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｉｒのいずれかであることを特徴とす
る請求項１〜５のいずれかに記載の電子放出素子。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかに記載の電子放
出素子を、基体上に多数配列して備えたことを特徴とす
る電子源。
【請求項９】基体上に帯状配線を多数配列して前記下
部電極の配列群とし、それら下部電極の配列群の上に、
前記誘電体層を帯状に設けると共に、さらに帯状配線を
交差させて多数配列して前記上部電極の配列群としたこ
とを特徴とする請求項８に記載の電子源。
【請求項１０】平行に離間させた第一基板と第二基板
の隙間に枠部材を設けて封止した真空容器内に、請求項
８または９に記載の電子源を、光導電部材と対向させ備
えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１１】平行に離間させた第一基板と第二基板
の隙間に枠部材を設けて封止した真空容器内に、請求項
８または９に記載の電子源を、画像形成部材と対向させ
備えたことを特徴とする画像形成装置。
【請求項１２】基体上に下部電極を形成する工程１
と、前記下部電極の上に、あるいは多層化の前工程で形
成した下層の誘電体層の上に誘電体層を形成する工程２
と、前記工程２を適宜に繰り返して形成した多層の誘電
体層の上に上部電極を形成する工程３と、前記上部電極
の上に金属層を形成する工程４と、前記金属層を陽極酸
化して、多孔質の酸化膜を形成する工程５と、前記酸化
膜をマスクにした陽極酸化により下部電極に達する細孔
を形成する工程６と、前記酸化膜を剥離する工程７と、
前記細孔内に電子放出材を形成する工程８とを有するこ
とを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１３】前記工程５での酸化膜を形成する陽極
酸化を、形成される酸化膜の底部に金属層が残るように
途中で止めて、残した金属層を、前記工程７における剥
離層として用いることを特徴とする請求項１２に記載の
電子放出素子の製造方法。