JP2000285801A

JP2000285801A - 電子放出素子の製造方法、該電子放出素子を用いた電子源および画像形成装置

Info

Publication number: JP2000285801A
Application number: JP9125199A
Authority: JP
Inventors: Michiyo Nishimura; 三千代西村
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】炭素材料を電子放出部として使用して、電子
放出特性の優れた電子放出素子の製造方法を提供する。【解決手段】基板１上に、対向する一対のエミッタ電
極とゲート電極とを備え、該エミッタ電極とゲート電極
が、炭素もしくは炭素化合物からなる導電性膜２，３に
形成されたスリットにより構成された電子放出素子の製
造方法において、導電性の探針７を具備し、該探針７お
よび導電性膜２，３間に電位を与えて、探針７を走査さ
せ、導電性膜２，３の一部を消失してスリット（電子放
出部６）を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素もしくは炭素
化合物を用いた電子放出素の製造方法、該電子放出素子
を用いた電子源および画像形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、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、「Ｆ
Ｅ型」と称する）、金属／絶縁層／金属型（以下、「Ｍ
ＩＭ型」と称する）等がある。ＭＩＭ型の例としては、
Ｍｅａｄの報告（Ｃ．Ａ．Ｍｅａｄ：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．，３２，６４６（１９６１））に記載のもの等
が知られている。

【０００３】また、ＦＥ型は、一般的にその構造から、
縦型の電子放出素子（以下、「縦型のＦＥＡ」と称す
る）と平面型の電子放出素子（以下、「平面型のＦＥ
Ａ」と称する）とに大別される。

【０００４】図１１に、縦型のＦＥＡ、図１２に、平面
型のＦＥＡの代表的な該略図を示す。

【０００５】縦型のＦＥＡは、図１１に示すように、エ
ミッタ電極２０２が基板２０１から鉛直方向に四角錐や
円錐の形状を呈している。

【０００６】また、平面型のＦＥＡは、図１２に示すよ
うに、エミッタ電極２０２が基板２０１と平行な方向に
三角形や四角形の櫛形の形状を呈している。

【０００７】縦型のＦＥＡの例としては、Ｄｙｋｅらの
報告（Ｗ．Ｐ．ＤｙｋｅａｎｄＷ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ：
“Ｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎ”，Ａｄｖａｎｃｅ
ｉｎＥｌｅｃｔｒｏｎＰｈｙｓｉｃｓ，８，８９
（１９５６））に記載のものや、Ｓｐｉｎｄｔの報告
（Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ：“ＰｈｙｓｉｃａｌＰｒｏ
ｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｆｉｅｌ
ｄｅｍｉｓｓｉｏｎｃａｔｈｏｄｅｓｗｉｔｈｍ
ｏｌｙｂｄｅｎｉｕｍｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．，４７，５２４８（１９７６））に記載のも
の等が知られている。

【０００８】また、平面型のＦＥＡの例としては、Ｋａ
ｎｅｋｏらの報告（Ａ．Ｋａｎｅｋｏ，Ｔ．Ｋａｎｎ
ｏ，Ｋ．Ｔｏｍｉｉ，Ｍ．Ｋｉｔａｇａｗａａｎｄ
Ｔ．Ｈｉｒａｏ：ＩＥＥＥＴｒａｎｓ，Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，３９２３９５（１９９１））に
記載のものや、Ｉｔｏｈらの報告（Ｊ．Ｉｔｏｈ，Ｋ．
ＴｓｕｂｕｒａｙａａｎｄＳ．Ｋａｎｅｍａｒｕ：
Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇ．１１ｔｈＳｅｎｓｏｒＳｙｍ
ｐ．，ｐ．１４３（Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ，１９９
２）、（Ｊ．Ｉｔｏｈ，Ｋ．Ｔｓｕｂｕｒａｙａ，Ｓ．
Ｋａｎｅｍａｒｕ，Ｔ．Ｗａｔａｎａｂｅａｎｄ
Ｓ．Ｉｔｏｈ：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３
２，１２２１（１９９３））に記載のものや、Ｈｙｕｎ
ｇ−ＩＩＬｅｅらの報告（Ｈｙｕｎｇ−ＩＩＬｅ
ｅ，Ｓｏｏｎ−ＳｏｏＰａｒｋ，Ｄｏｎｇ−ＩＩＰ
ａｒｋ，Ｓｕｎｇ−ＨｏＨａｈｍ，Ｊｏｎｇ−Ｈａｈ
ｍ，Ｊｏｎｇ−ＨｙｕｎＬｅｅａｎｄＪｕｎｇ−
ＨｅｅＬｅｅ：Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ
ｌ．Ｂ１６（２），１９９８）に記載のものや、Ｇｏ
ｔｏｈらの報告（Ｙ．Ｇｏｔｏｈ，Ｔ．Ｏｈｔａｋｅ，
Ｎ．Ｆｕｊｉｔａ，Ｋ．Ｉｎｏｕｅ，Ｈ．Ｔｓｕｊｉ
ａｎｄＪ．Ｉｓｈｉｋａｗａ：Ｊ，Ｖａｃ．Ｓｃｉ．
Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ１３（２）１９９５）に記載のも
の等が知られている。

【０００９】従来の平面型のＦＥＡの製造方法では、フ
ォトリソグラフィ技術、ＦＩＢ技術、膜応力を利用して
電子放出部を形成している。

【００１０】また、表面伝導型電子放出素子の例として
は、エリンソンの報告（Ｍ．Ｉ．Ｅｌｉｎｓｏｎ：Ｒａ
ｄｉｏＥｎｇ．ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｈｙｓ．，１０
（１９６５））に記載のもの等がある。

【００１１】この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、前記のエリ
ンソンの報告に記載のＳｎＯ₂薄膜を用いたもの、Ａｕ
薄膜によるもの（Ｇ．Ｄｉｔｔｍｅｒ：ＴｈｉｎＳｏ
ｌｉｄＦｉｌｍｓ，９，３１７（１９７２））、Ｉｎ
₂ Ｏ₃ ／ＳｎＯ₂ 薄膜によるもの（Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌ
ｌａｎｄＣ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔａｄ：ＩＥＥＥＴｒａ
ｎｓ．ＥＤＣｏｎｆ．，５１９（１９７５））、カー
ボン薄膜によるもの（荒木ら：真空、第２６巻、第１
号、２２項（１９８３））などが報告されている。

【００１２】これらの表面伝導型電子放出素子の典型的
な素子構成として、前述のハートウェル（Ｈａｒｔｗｅ
ｌｌ）の素子の構成を図１３に示す。図１３において、
１０１は基板、１０２は導電性膜、１０３は電子放出部
をそれぞれ示す。

【００１３】図１３に示すように、導電性膜１０２は、
スパッタにより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、後述の通電フォーミングと呼ばれ
る通電処理により、電子放出部１０３が形成される。な
お、図中の素子電極間の距離Ｌは０．５ｍｍ〜１ｍｍ、
Ｗ’は０．１ｍｍに設定されている。

【００１４】これらの表面伝導型電子放出素子において
は、電子放出を行う前に導電性膜１０２に予め通電フォ
ーミングと呼ばれる通電処理を施して電子放出部１０３
を形成することが一般的である。すなわち、通電フォー
ミングとは、前記導電性膜１０２の両端に電圧を印加通
電し、導電性膜１０２を局所的に破壊、変形もしくは変
質させて構造を変化させ、電気的に高抵抗な状態の電子
放出部１０３を形成する処理である。なお、電子放出部
１０３では導電性膜１０２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。

【００１５】従来、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（両素
子電極）を配線（共通配線）により各々結線した行を多
数行配列（梯子状配置）した電子源を挙げることができ
る（例えば、特開昭６４−３１３３２号公報、特開平１
−２９３７４９号公報、特開平２−２５７５５２号公
報）。

【００１６】また、特に表示装置においては、液晶を用
いた表示装置と同等の平板型表示装置とすることが可能
で、しかもバックライトが不要な自発光型の表示装置と
して、表面伝導型電子放出素子を多数配置した電子源
と、この電子源からの電子線の照射により可視光を発光
する蛍光体とを組み合わせた表示装置が提案されている
（アメリカ特許第５０６６８９３号明細書）。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、電子放出素
子は、放出点もしくはその近傍を、微細なスリットで加
工する必要があり、その加工はナノメータオーダーのサ
イズが必要とされる。

【００１８】特に、平面型のＦＥＡでは、エミッタおよ
びゲート間のスリット幅が電子放出特性を決定する重要
なパラメータとなっている。

【００１９】さらに、電子放出部に重要なのはエミッタ
の材料であり、電子放出効率を向上させるには、低仕事
関数の材料が選択されることが望ましい。さらに、耐熱
性等も要求される。

【００２０】エミッタ材料は、金属、金属酸化物、グラ
ファイト、ダイヤモンドを含む各種の炭素材料などがあ
る。

【００２１】特に、グラファイト、ダイヤモンド、アモ
ルファスカーボンを含む各種の炭素材料は、電子放出部
に好材料であるとして開発が進んでいる。炭素材料は、
導電性材料として電子放出部そのものを構成する場合
や、電子放出部が炭素材料で被覆される場合がある。

【００２２】しかしながら、前述した従来の平面型のＦ
ＥＡの製造方法では、以下に示すような問題があった。

【００２３】すなわち、フォトリソグラフィ技術により
電子放出部を形成する方法において、エミッタ電極とゲ
ート電極との間隔が広いため、低電圧で駆動することが
できない。

【００２４】これに対して、ＦＩＢ技術により電子放出
部を形成する方法においては、エミッタ電極とゲート電
極との間隔を狭くできるとともに、低電圧で駆動できる
という利点があるものの、大面積にわたって電子放出部
を形成することができず、また製造コストが上昇すると
いう欠点があった。

【００２５】また、膜応力を利用し電子放出部を形成す
る方法においては、容易にエミッタ電極とゲート電極と
の間隔を狭くすることができるとともに、低電圧で駆動
することができるという利点があるものの、再現性に劣
り制御性がないという欠点があった。また、応力を利用
するために、主として材料が結晶材料に限定されるとい
う問題もあった。

【００２６】さらに、上述した従来の表面伝導型電子放
出素子に対して通電フォーミングにより電子放出部を形
成する方法においては、電子放出部の間隔がばらつくと
ともに、再現性に劣り制御性がないと言った欠点があっ
た。

【００２７】特に、炭素材料を導電膜として使用し、通
電フォーミングにより電子放出部を形成する方法では、
スリットの形成が不十分なために導電パスが残ってしま
い、それがリーク電流となって、特性の劣化につながる
ことが頻繁にあった。

【００２８】ところで、炭素材料のエッチング方法のひ
とつとして、グラファイトおよびカーボン膜をＳＰＭ法
（スキャンニングプローブマイクロスコープ）を使用し
て行った報告がある。

【００２９】この方法では、平面上で任意の位置にエッ
チングすることができ、ナノオーダーの微細な加工が可
能である。

【００３０】また、カーボン膜が薄い場合には、基板面
まで容易に加工することができ、また、必要な電位を低
く設定でき、さらに、大気中で加工できるといった特徴
がある。

【００３１】本発明は、前述した問題を解決した電子放
出素子の製造方法を提供することを目的とするものであ
り、具体的には、炭素材料を電子放出部として使用し
て、電子放出特性の優れた電子放出素子の製造方法を提
供することにある。

【００３２】また、本発明の他の目的は、このような電
子放出素子を用いた電子源および画像形成装置を提供す
ることにある。

【００３３】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ため、本発明の電子放出素子の製造方法は、基板上に、
対向する一対のエミッタ電極とゲート電極とを備え、該
エミッタ電極とゲート電極が、炭素もしくは炭素化合物
からなる導電性膜に形成されたスリットにより構成され
た電子放出素子の製造方法において、導電性の探針を前
記導電性膜に対向配置し、該探針と該導電性膜との間に
電位を与えて、前記探針を走査させ、前記導電性膜の一
部を消失して前記スリットを形成することを特徴とする
ものである。

【００３４】また、前記スリットは、平面内で位置変調
されていることが好ましい。

【００３５】また、本発明の電子源は、前述した製造方
法によって得られる電子放出素子を、前記基板上に複数
個配置して接続することにより構成したことを特徴とす
るものである。

【００３６】また、本発明の画像形成装置は、前述した
電子源を有してなるリアプレートと、蛍光膜を有するフ
ェースプレートとを対向配置し、前記電子源より放出さ
れる電子を前記蛍光膜に照射して画像表示を行うように
したことを特徴とするものである。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る電子放出素子
の製造方法、該電子放出素子を用いた電子源および画像
形成装置について、好ましい実施形態を挙げて説明す
る。

【００３８】図１は、本発明の製造方法によって製造さ
れる電子放出素子の一例を示す模式図であり、図１
（ａ）は平面図、図１（ｂ）は縦断面図である。また、
図２、本発明の電子放出素子の製造方法を説明するため
の説明図である。

【００３９】図１，２に基づいて、本発明に係る製造方
法により製造する電子放出素子を説明する。

【００４０】電子放出素子を形成する基板１としては、
あらかじめその表面を十分に洗浄した石英ガラス、Ｎａ
等の不純物含有量を減少させたガラス、青板ガラス、青
板ガラスおよびＳｉ基板等にスパッタ法等によりＳｉＯ
₂ を積層した積層体、アルミナ等のセラミックスおよび
Ｓｉ基板等を用いることができる。

【００４１】この基板１上に、炭素もしくは炭素化合物
からなる導電性膜２，３と、この導電性膜２，３とオー
ミックな電気的な接続をするための素子電極４，５を対
向して形成する。

【００４２】炭素もしくは炭素化合物からなる導電性膜
２，３は、蒸着法、スパッタ法、プラズマ重合法などの
一般的な真空成膜法、もしくは、有機化合物の塗布や印
刷と焼成工程を組み合わせた方法などで形成される。

【００４３】さらに、フォトリソグラフィ技術により、
その膜の一部が基板１から取り除かれ、パターンが形成
される。なお、この工程では、薄膜２，３は分離されて
ない。

【００４４】本発明の製造方法で製造される電子放出素
子において、炭素および炭素化合物２，３は、一般的に
導電性を有している。

【００４５】炭素および炭素化合物とは、有機高分子材
料、アモルファスカーボン、グラファイト、ダイヤモン
ドライクカーボン、ダイヤモンドを分散した炭素膜など
がある。

【００４６】対向する素子電極４，５は、蒸着法、スパ
ッタ法等の一般的な真空成膜技術やフォトリソグラフィ
技術により形成される。素子電極４，５の材料は、例え
ば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，
Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｍｏ，Ｗ，
Ｐｔ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｐｄ等の金属または合金材
料、Ｉｎ₂ Ｏ₃ ，ＰｄＯ，Ｓｂ₂ Ｏ₃ 等の酸化物、Ｔｉ
Ｃ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣ等の炭化
物、ＨｆＢ₂ ，ＺｒＢ₂ ，ＬａＢ₆ ，ＣｅＢ₆ ，ＹＢ
₄ ，ＧｄＢ₄ 等の硼化物、ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ等の
窒化物、Ｓｉ，Ｇｅ等の半導体、炭素および炭素化合物
等から適宜選択される。

【００４７】なお、炭素および炭素化合物の薄膜からな
る導電性膜２，３と、素子電極４，５は、同一材料で構
成される場合、あるいは、炭素および炭素化合物の薄膜
からなる導電性膜２，３で素子電極４，５が代用される
場合もある。

【００４８】本発明の製造方法により製造される電子放
出素子において、電子放出部６は、いわゆるＳＰＭ法を
使用して、微細なスリットを作製して形成される。

【００４９】すなわち、図２に示すように、導電性の探
針７と、この導電性の探針７に接続された制御装置８お
よび電位制御装置９を備えて、制御装置８により導電性
膜２，３の高さ方向の位置を検出しながら、電位制御装
置９により導電性膜２，３および探針７間に電位を与え
る。また、探針７は、制御装置８で平面内を走査するこ
とにより、走査した部分のみが選択的にエッチングされ
る。

【００５０】ＳＰＭ法で位置を検出する方法としては、
ＳＴＭ法、ＡＦＭ法等があり、そのための検出手段は各
種のものを選択することができる。また、探針７、制御
装置８として、各種のものを選択することができる。

【００５１】本発明に係る電子放出素子の製造方法にお
いて、スリットを形成するために、制御装置９により導
電性膜２，３および探針７間に与えられる電位は、探針
７に対して導電性膜２，３が正の電位となる。電位は、
ＤＣであってもパルスであってもよい。

【００５２】微細なスリットの形成によって、２および
４はエミッタ電極、３および５はゲート電極として構成
される。

【００５３】スリットの間隔Ｌは、好ましくは数ｎｍ〜
数百ｎｍの範囲とし、より好ましくは、電子放出素子を
駆動する電圧等を考慮して、３ｎｍ〜１００ｎｍの範囲
とする。電子放出部の長さＷは、好ましくは数μｍ〜数
百μｍの範囲とし、より好ましくは、電子放出特性等を
考慮して、５０μｍ〜５００μｍの範囲とする。また、
導電性膜２，３の膜厚ｄは、数十ｎｍ〜数μｍの範囲と
し、より好ましくは、電子放出特性等を考慮して、１０
ｎｍ〜１μｍの範囲とする。

【００５４】さらに、電子放出部６は、直線であって
も、平面内に三角形、四角形および任意の形に位置変調
された形状であってもよい。

【００５５】図３は、電子放出特性を測定するための真
空装置の一例を示す模式図である。図３において、２５
は真空装置、２６は真空装置を排気するための排気装置
である。また、２１は電子放出素子に素子電流Ｖｆを印
可するための電源、２０は素子電極間の素子電流Ｉｆを
測定するための電流計、２４は素子の電子放出部より放
出される放出電子を捕捉するためのアノード電極であ
る。また、２３はアノード電極に電圧を印可するための
高圧電源、２２は電子放出部より放出される放出される
放出電流Ｉｅを測定するための電流計である。

【００５６】また、図３に示された電子放出素子におい
て、１は基板、２，３は導電性膜、４，５は素子電極を
それぞれ示す。

【００５７】この真空装置では、一例として、アノード
電極２４の電圧を１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲として、アノ
ード電極２４と電子放出素子との距離Ｈを２ｍｍ〜８ｍ
ｍの範囲として、電子放出特性を測定することができ
る。

【００５８】図４は、本発明の製造方法により製造され
た電子放出素子の特性を示すグラフである。

【００５９】図４において、横軸に、素子電圧Ｖｆをと
り、縦軸に、素子電流Ｉｆおよび放出電流Ｉｅをとって
あり、各値は任意単位で示している。

【００６０】本発明の製造方法により製造された電子放
出は、しきい電圧Ｖｔｈ以上の電圧の印可により、急激
に放出電流Ｉｅが増加し、それ以下の電圧では、放出電
流Ｉｅがほとんど検出されない。つまり、放出電流Ｉｅ
に対する明確なしきい電圧を有した非線型素子となって
いる。また、アノード電圧２４に捕捉される放出電荷
は、素子電圧Ｖｆを印可する時間に依存して制御するこ
とができる。しきい電圧Ｖｔｈは、エミッタおよびゲー
ト間の距離に依存して変化する。

【００６１】低電圧駆動のためには、しきい電圧Ｖｔｈ
が低いこと、すなわちエミッタおよびゲート間の距離が
小さいことが要求される。

【００６２】次に、上述した電子放出素子を複数配置し
て得られる電子源について、図５を用いて説明する。

【００６３】図５に示すように、前述した多数個の電子
放出素子をマトリクス状に配置して、電子源を形成す
る。

【００６４】Ｘ方向配線３１は、複数本の配線からな
り、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等を用いて形成さ
れた導電性金属等で構成することができる。配線の材
料、膜厚、幅は、適宜設計される。また、Ｙ方向配線３
２は、複数本の配線からなり、Ｘ方向配線３１と同様に
形成される。これらのＸ方向配線３１とＹ方向配線３２
との間には絶縁層３３が形成されており、この絶縁層３
３により両者を電気的に分離している。

【００６５】絶縁層３３は、真空蒸着法、印刷法、スパ
ッタ法等を用いて形成されたＳｉＯ₂ 等により形成され
る。この絶縁層３３は、例えば、Ｘ方向配線３１を形成
した基板１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３１とＹ方向配線３２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。

【００６６】電子放出素子を構成する一対の素子電極
４，５は、それぞれＸ方向配線３１とＹ方向配線３２に
電気的に接続されている。

【００６７】Ｘ方向配線３１とＹ方向配線３２を構成す
る材料、および一対の素子電極４，５は、その構成元素
の一部あるいは全部が同一であっても、またそれぞれが
異なっていてもよい。これら材料は、例えば前述した素
子電極４，５の材料より適宜選択される。素子電極４，
５を構成する材料と配線材料が同一である場合には、素
子電極４，５に接続した配線は、素子電極４，５である
と言うこともできる。

【００６８】電子放出素子の配列については、前述した
ように電子放出素子をＸ方向およびＹ方向に行列状に複
数個配し、同じ列に配された複数の電子放出素子の電極
の一方をＸ方向の配線に共通に接続し、同じ列に配され
た複数の電子放出素子の電極の他方をＹ方向の配線に共
通に接続する。

【００６９】また、このような単純マトリクス配置の構
成以外にも、種々の構成のものを採用することができ
る。例えば、並列に配置した複数の電子放出素子を個々
の両端で接続した電子放出素子の行を多数個配し（行方
向）、この配線と直交する方向（列方向）で、該電子放
出素子の上方に配した制御電極（グリッド電極）によ
り、電子放出素子からの電子を制御駆動する梯子状配置
のものがある。

【００７０】次に、前述した電子源を用いた画像形成装
置について、図６を用いて説明する。

【００７１】図６は、本発明の画像表示装置の概略構成
を示す斜視図である。

【００７２】図６において、８１は電子放出素子を複数
配した電子源基板、９１は電子源基板８１を固定したリ
アプレート、９６はガラス基板９３の内面に蛍光膜９４
とメタルバック９５等が形成されたフェースプレートで
ある。また、９２は支持枠であり、この支持枠９２に
は、リアプレート９１、フェースプレート９６がフリッ
トガラスなどを用いて接続される。

【００７３】外囲器（パネル）９８は、前述のように、
フェースプレート９６、支持枠９２、リアプレート９１
により構成される。リアプレート８１は、主に基板８１
の強度を補強する目的で設けられているため、基板８１
自体で十分な強度を持つ場合には、別体のリアプレート
９１は不要とすることができ、基板８１とリアプレート
９１が一体構成の部材であっても差し支えない。

【００７４】支持枠９２の蛍光膜９４とメタルバック９
５とをその内側表面に配置したフェースプレート９６
と、リアプレート９１と、支持枠９２とが接合する接着
面にフリットガラスを塗布し、フェースプレート９６
と、支持枠９２と、リアプレート９１とを所定の位置で
合わせて固定し、加熱焼成して封着する。

【００７５】なお、外囲器９８を焼成して封着する加熱
手段は、赤外線ランプ等を用いたランプ加熱、ホットプ
レート等、種々のものを採用することができ、これらに
限定されるものではない。

【００７６】また、外囲器９８を構成する複数の部材を
加熱接着する接着材料は、フリットガラスに限るもので
はなく、封着工程後、十分な真空雰囲気を形成できる材
料であれば、種々の接着材料を採用することができる。

【００７７】前述した外囲器９８は、本発明の一実施形
態であり、これに限定されるものではなく、種々のもの
を採用することができる。他の例として、基板８１に直
接支持枠９２を封着し、フェースプレート９６、支持枠
９２および基板８１により外囲器９８を構成してもよ
い。また、フェースプレート９６とリアプレート９１の
間に、スペーサとよばれる不図示の支持体を設置するこ
とにより、大気圧に対して十分な強度を持たせた外囲器
９８を構成することもできる。

【００７８】なお、図６中、８２はＸ方向配線、８３は
Ｙ方向配線、８４は電子放出素子、９７は高圧端子をそ
れぞれ示す。

【００７９】図７（ａ）、（ｂ）にフェースプレート９
６に形成された蛍光膜９４を模式的に示す。

【００８０】蛍光膜９４は、モノクロームの場合は、蛍
光体のみから構成することができる。また、カラーの蛍
光膜の場合は、蛍光体の配列により、図７（ａ）に示す
ブラックストライプ、あるいは、図７（ｂ）に示すブラ
ックマトリクスなどと称される黒色導電材１２２と蛍光
体１２３とから構成することができる。

【００８１】ブラックストライプ、ブラックマトリクス
を設ける目的は、カラー表示の場合、必要となる三原色
蛍光体の各蛍光体間の塗り分け部を黒くすることによ
り、混色等を目立たなくすることと、蛍光膜９４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に
ある。ブラックストライプの材料としては、一般的に用
いられている黒鉛を主成分とする材料の他、導電性があ
り、光の透過および反射が少ない材料を用いることがで
きる。

【００８２】ガラス基板９３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、印刷法等
を採用することができる。

【００８３】一般的に、蛍光膜９４の内面側には、メタ
ルバック９５が設けられる。メタルバックを設ける目的
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９６側へ鏡面反射させ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９８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９５は、蛍光膜９４を形成後、蛍光膜
９４の内面側表面の平滑化処理（通常、「フィルミン
グ」と称される）を行い、その後Ａｌを真空蒸着等を用
いて堆積させることにより形成することができる。

【００８４】フェースプレート９６には、さらに蛍光膜
９４の導電性を高めるため、蛍光膜９４の外面側に透明
電極（不図示）を設けてもよい。

【００８５】次に、封着工程を施した外囲器（パネル）
９８を封止する真空封止工程について説明する。

【００８６】真空封止工程は、外囲器（パネル）９８を
加熱して、８０〜２５０℃に保持しながら、イオンポン
プ、ソープションポンプなどの排気装置を用いて、排気
管（不図示）を通じて排気し、有機物質の十分少ない雰
囲気にした後、排気管をバーナで熱して溶解させて封じ
きる。

【００８７】外囲器９８の封止後の圧力を維持するため
に、ゲッタ処理を行なうこともできる。これは、外囲器
９８の封止を行う直前あるいは封止後に、抵抗加熱ある
いは高周波加熱等を用いた加熱により、外囲器９８内の
所定の位置（不図示）に配置されたゲッタを加熱し、蒸
着膜を形成する処理である。一般的に、ゲッタはＢａ等
が主成分であり、該蒸着膜の吸着作用により、外囲器９
８内の雰囲気を維持するものである。

【００８８】以上の工程によって製造された単純マトリ
クス配置の電子源を用いて構成した画像形成装置は、各
電子放出素子に、容器外端子Ｄｘ１〜Ｄｘｍ、Ｄｙ１〜
Ｄｙｎを介して電圧を印加することにより、電子放出が
生ずる。そして、高圧端子９７を介して、メタルバック
９５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９４に衝
突し、発光が生じて画像が形成される。

【００８９】以上説明した本発明の製造方法により作成
された画像形成装置は、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としての
画像形成装置等としても用いることができる。

【００９０】

【実施例】以下、具体的な実施例を用いて、本発明の製
造方法により製造された電子放出素子および画像形成装
置をより詳細に説明する。

【００９１】＜実施例１＞図１は、本実施例の製造方法
により製造された電子放出素子の平面図および断面図で
あり、図２は、本実施例に係る電子放出素子の製造方法
の一例を示す模式図である。

【００９２】以下に、本実施例の電子放出素子の製造工
程を詳細に説明する。

【００９３】まず、基板１に青板ガラスを用い、洗浄化
した後、真空蒸着により厚さ５０ｎｍのカーボンを成膜
した。このカーボン膜はアモルファスカーボンであり、
シート抵抗は、５×１０⁵ Ω／ｃｍ² であった。

【００９４】その後、フォトレジスト（ＡＺ１３７０／
ヘキスト社製）をスピンコータにより回転塗布してベー
クした後、フォトマスク像を露光させて現像する。さら
に、カーボン膜（導電性膜）２，３のレジストパターン
を形成し、残りの膜をウエットエッチングして、放出長
Ｗを５００μｍとする所望の形状とした。

【００９５】次に、厚さ１μｍのＡｕをスパッタ法によ
り成膜し、レジストパターンを形成し、Ａｕをウエット
エッチングして、所望の形状の素子電極４，５を形成し
た。

【００９６】次に、図２に示すように、原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）を用いて、微細なスリットを形成する。位置
検出法は、レーザ光による光てこ方式のＡＦＭ装置を用
いた。

【００９７】導電性の探針７として、Ｓｉ₃ Ｎ₄ のチッ
プの先端を尖鋭化処理し、その後、蒸着法によりＰｔ膜
で被覆された探針７を使用した。

【００９８】光学的手段（不図示）により、素子電極
４，５間のほぼ中央に探針７をアライメントする。この
時、探針７に電位をかけない状態で、ＡＦＭ法により、
膜の位置および膜の状態を観察することもできる。

【００９９】その後、制御装置８，９により、探針７お
よび導電性膜２，３間に電位を与えながら、直線状に探
針７を走査する。探針７は接地し、導電性膜２，３に正
の電位を与えた。印可電圧は５Ｖ、走査速度は０．１μ
ｍ／ｓｅｃとした。

【０１００】炭素および炭素化合物が、ＡＦＭ法で正の
電位によりエッチングされるのは、膜の表面に吸着され
た吸着水と炭素とが、化学反応により一酸化炭素もしく
は二酸化炭素と水素からなるガスに変化するためである
と考えられる。

【０１０１】エッチングに要する電圧は、大気雰囲気に
おいて４Ｖ以上が必要である。なお、エッチングレート
は電圧に依存し、スリット幅は、探針７のチップ形状、
電圧、走査速度などに依存する。

【０１０２】走査終了後、電位をかけないで再びＡＦＭ
法で膜を観察したところ、約８０ｎｍのスリットが形成
された。

【０１０３】以上の様にして製造した電子放出素子の素
子電極４、５間に電圧を印加し駆動したところ、Ｖｔｈ
が７５Ｖである電子放出特性が得られた。

【０１０４】Ｖｆ＝７５Ｖ以下のＩｆを測定したとこ
ろ、Ｉｆはほとんど流れず、リーク電流は小さかった。

【０１０５】＜実施例２＞次に、本発明の製造工程によ
り製造された電子放出素子の実施例２を説明する。本実
施例は、実施例１と異なる炭素材料を使用した例であ
る。

【０１０６】まず、基板１に石英ガラスを用い、洗浄化
した後、ＰＡＮ（ポリアクリルニトリル）からなる有機
材料をＮ、Ｎ−ジメチルアセトアミドを溶媒として、ス
ピンコータを用いて塗布し、Ｎ₂ 雰囲気で９００℃で焼
成し、アモルファスカーボンからなる薄膜を作製した。
膜厚は、３０ｎｍで、シート抵抗は３×１０⁴ Ω／ｃｍ
² であった。

【０１０７】その後、フォトレジスト（ＡＺ１３７０／
ヘキスト社製）をスピンコーターにより回転塗布、ベー
クした後、フォトマスク像を露光、現像して、カーボン
膜（導電性膜）２、３のレジストパターンを形成し、残
りの膜をドライエッチングして、放出長Ｗを５００μｍ
とする所望の形状とした。

【０１０８】次に、厚さ１μｍのＡｕを金属マスクを用
いてスパッタ法により成膜し、素子電極４，５を形成し
た。

【０１０９】次に、実施例１と同様にＡＦＭ法をもちい
て、微細なスリットを形成する。

【０１１０】その後、実施例１と同様にして、制御装置
８，９により、探針７および導電性膜２，３間に電位を
与えながら、直線状に探針７を走査した。印可電圧は
４．５Ｖ、走査速度は０．２μｍ／ｓｅｃとした。

【０１１１】走査終了後、電位をかけないで、再びＡＦ
Ｍ法で膜を観察したところ、約５０ｎｍのスリットが形
成された。

【０１１２】スリットの形成が不十分かどうかの判定
は、素子電極４，５間の抵抗を測定することで検知する
ことができる。すなわち、０．１Ｖ程度の低電圧で測定
した場合の抵抗がほぼ無限大になっていることで、スリ
ットが基板に達しているかを判定することができる。

【０１１３】以上の様にして製造した電子放出素子の素
子電極４，５間に電圧を印加し駆動したところ、Ｖｔｈ
が３５Ｖである電子放出特性が得られた。また、実施例
１と同様にリーク電流は小さかった。

【０１１４】本実施例では、実施例１とカーボンの質が
異なり、膜の抵抗が低くできているために、膜厚ｄが小
さく、かつスリット幅を小さくすることができる。した
がって、Ｖｔｈも低くすることができ、電子放出特性の
向上を図ることができる。

【０１１５】＜実施例３＞次に、本発明の製造工程によ
り製造された電子放出素子の実施例３を説明する。

【０１１６】図８に、本発明の製造方法により製造した
電子放出素子の実施例３を示す。図８において、１は基
板、２，３は導電性膜、４，５は素子電極、６は電子放
出部をそれぞれ示す。

【０１１７】本実施例では、スリット形成までの製造手
順は実施例２と同様である。

【０１１８】さらに、実施例２と同様のＡＦＭ装置を用
いて、微細なスリットを形成する。すなわち、制御装置
８により探針（図示せず）を平面上を矩形に位置変調さ
せて、図８に示す構造の電子放出部６を形成した。

【０１１９】なお、印可電圧は４．５Ｖ、走査速度は
０．２μｍ／ｓｅｃで、実施例２と同様である。

【０１２０】このように、平面上に位置変調して電子放
出部６を形成することにより、電界の集中点を限定する
ことができ、効率（Ｉｅ／Ｉｆ）を向上することができ
る。

【０１２１】本実施例では、電子放出部６の形状を矩形
としたが、図１２のような三角形の形状や、他の任意形
状も比較的に簡易に形成することができる。

【０１２２】＜実施例４＞次に、本発明の製造工程によ
り製造された電子放出素子の実施例４を説明する。

【０１２３】図９に、本発明の製造方法により製造した
電子放出素子の実施例４を示す。図９（ａ）は電子放出
素子の平面図、図９（ｂ）は印加電圧の説明図である。
また、図９において、１は基板、２，３は導電性膜、
４，５は素子電極、６は電子放出部、９は探針（図示せ
ず）の制御装置をそれぞれ示す。

【０１２４】本実施例では、スリット形成までの製造手
順は実施例２と同様である。

【０１２５】さらに、実施例２と同様のＡＦＭ装置を用
いて、微細なスリットを形成する。すなわち、制御装置
（図２に示す制御装置８）により探針を直線状に走査す
るとともに（図９（ａ）の矢印Ｘ方向）、制御装置９に
より印可電圧を４Ｖと８Ｖで変調した（図９（ｂ）参
照）。この方法により、スリット幅がＬ１＝５０ｎｍ
と、Ｌ２＝１２０ｎｍの２種類である電子放出部６が形
成される。

【０１２６】本実施例においては、実施例２に比較して
効率の向上を図ることができる。

【０１２７】＜実施例５＞次に、本発明の製造工程によ
り製造された電子放出素子の実施例５を説明する。

【０１２８】図１０に、本発明の製造方法により製造し
た電子放出素子の実施例５を示す。図１０（ａ）は電子
放出素子の平面図、図１０（ｂ）は電子放出素子の縦断
面図である。また、図１０において、１は基板、２，３
は導電性膜、６は電子放出部をそれぞれ示す。

【０１２９】本実施例では、炭素膜からなる導電性膜
２，３を厚く形成して、素子電極４，５を兼ねるように
している。

【０１３０】そのために、実施例２とほぼ同様の方法
で、膜厚２００ｎｍの導電性膜２，３を形成した。

【０１３１】その後、実施例２とほぼ同様の装置を使用
して、電子放出部６を形成する。

【０１３２】まず、中央部を印可電圧１０Ｖで走査し、
その部分の膜厚を５０ｎｍにする。その後、同一の位置
を実施例２と同様に、印可電圧４．５Ｖで再度走査し
て、２段のスリットを形成する。

【０１３３】このような製造工程とすることにより、工
程を削減することができるので、コストを低減すること
ができる。

【０１３４】＜実施例６＞図５に、本発明の実施例１に
係る製造方法によって製造された電子放出素子をＸ方向
に１０素子、Ｙ方向に１０素子のマトリクス状に配置し
た電子源の一例（実施例６）を示す。

【０１３５】上述した実施例１の製造方法により製造さ
れた１００個の電子放出素子からなる電子放出部６は、
電子放出量が２０％のばらつきとなるよう形成すること
ができ、Ｘ方向配線３１、Ｙ方向配線３２間に電圧を印
加し駆動したところ、良好な電子放出特性を得ることが
できた。

【０１３６】＜実施例７＞図６に、上述した実施例６の
電子源を用いた画像形成装置の一例（実施例７）を示
す。

【０１３７】図６において、各部材等に付された符号
は、先に説明したとおりである。

【０１３８】実施例７の画像形成装置を駆動したとこ
ろ、輝度ばらつきのない良好な画像を得ることができ
た。

【０１３９】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明に係る電子放
出素子の製造方法によれば、導電性の探針を具備し、該
探針および前記導電性膜間に電位を与えて、探針を走査
させ、導電性膜の一部を消失してスリットを形成するこ
とにより、炭素および炭素化合物を電子放出部として、
しきい電圧が小さいとともに、電子放出効率がよく、さ
らにリーク電流が少ないという電子放出特性が良好な電
子放出部を形成することができる。

【０１４０】また、本発明に係る電子放出素子の製造方
法によれば、大気雰囲気で加工を行うことができるた
め、製造工程を容易とすることができる。

【０１４１】さらに、このような電子放出素子を用いる
ことにより、性能の優れた電子源および画像形成装置を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法により製造された電子放出素
子の一例を示す図である。

【図２】本発明の電子放出素子の製造方法の一例（実施
例１）を示す工程図である。

【図３】本発明の製造方法により製造された電子放出素
子の特性を測定する装置図である。

【図４】本発明の製造方法により製造された電子放出素
子の特性を示すグラフである。

【図５】本発明の製造方法により製造された電子放出素
子を用いた単純マトリクス配置の電子源（実施例６）を
示す概略構成図である。

【図６】本発明の製造方法により製造された電子放出素
子をマトリクス状に形成した画像表示装置の一例（実施
例７）を示す、一部を破断した斜視図である。

【図７】本発明の画像表示装置に用いた蛍光膜を示す図
である。

【図８】本発明の製造方法により製造された電子放出素
子の他の例（実施例３）を示す図である。

【図９】本発明の製造方法により製造された電子放出素
子の他の例（実施例４）を示す図である。

【図１０】本発明の製造方法により製造された電子放出
素子の他の例（実施例５）を示す図である。

【図１１】従来の電子放出素子の一例を示す模式図であ
る。

【図１２】従来の電子放出素子の他の例を示す模式図で
ある。

【図１３】従来の電子放出素子の他の例を示す模式図で
ある。

【符号の説明】

１基板２，３炭素および炭素化合物からなる導電性膜４，５素子電極６電子放出部７導電性の探針８探針の制御装置９電位制御装置２０電流計２１電源２２電流計２３電源２４アノード電極２５真空装置２６排気装置３１，８２Ｘ方向配線３２，８３Ｙ方向配線３３絶縁層８１電子源基板８４電子放出素子９１リアプレート９２支持枠９３ガラス基板９４蛍光膜９５メタルバック９６フェースプレート９７高圧端子９８外囲器１０１基板１０２導電性膜１０３電子放出部１２２黒色導電材１２３蛍光体２０１基板２０２エミッタ電極２０３ゲート電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、対向する一対のエミッタ電極
とゲート電極とを備え、該エミッタ電極とゲート電極
が、炭素もしくは炭素化合物からなる導電性膜に形成さ
れたスリットにより構成された電子放出素子の製造方法
において、導電性の探針を前記導電性膜に対向配置し、該探針と該
導電性膜との間に電位を与えて、前記探針を走査させ、
前記導電性膜の一部を消失して前記スリットを形成する
ことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項２】前記スリットが、平面内で位置変調され
ていることを特徴とする請求項１記載の電子放出素子の
製造方法。
【請求項３】請求項１記載の製造方法によって得られ
る電子放出素子を、前記基板上に複数個配置して接続す
ることにより構成したことを特徴とする電子源。
【請求項４】請求項３記載の電子源を有してなるリア
プレートと、蛍光膜を有するフェースプレートとを対向
配置し、前記電子源より放出される電子を前記蛍光膜に
照射して画像表示を行うようにしたことを特徴とする画
像形成装置。