JP2001283718A

JP2001283718A - 電子放出素子、電子源、画像形成装置、及び電子放出素子の製造方法

Info

Publication number: JP2001283718A
Application number: JP2000092086A
Authority: JP
Inventors: Takeo Tsukamoto; 健夫塚本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2001-10-12

Abstract

(57)【要約】【課題】良好な電子放出特性を長時間にわたり安定し
て実現する、低コストで作製可能な電子放出素子及び電
子源、さらには良好な電子放出特性が均一に得られる高
輝度で均一な表示特性に優れた画像形成装置、そして低
コストで作製可能とする電子放出素子の製造方法を提供
する。【解決手段】切り欠き部の形成された一段低い段差部
分が最も高い電界が形成されるため、この領域でのみ最
も早く電子放出に必要な電界に達し、電子放出部を切り
欠き部側壁だけに限定して製造することが可能となっ
た。この結果、電子線アシスト活性化により、特別な絞
りマスクを用いずとも切り欠き部に形成されたギャップ
絶縁層領域４の中に高電界領域（図不図示）を選択に形
成し、形成されたこの高電界領域からのみ電子を放出さ
せることが可能となった。

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、こ
れを用いた電子源、画像形成装置、及び電子放出素子の
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】表面伝導型電子放出素子は、基体上に形
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。

【０００３】この表面伝導型電子放出素子としては、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 Films", 9, 31
7 (1972)］，Ｉｎ₂Ｏ₃／ＳｎＯ₂薄膜によるもの［M. Ha
rtewell and C. G. Fonstad: "IEEE Trans. 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。

【０００４】これらの表面伝導型電子放出素子の典型的
な例として、特開平７−２３５２５５号公報に開示され
ている表面伝導型電子放出素子の素子構成を図１３に模
式的に示す。

【０００５】同図において１３１は基体である。１３
２，１３３は電位を与えるための金属電極、１３４は矩
形形状に、スパッタ等で形成された金属酸化物等の導電
性膜等からなり、通電処理により電子放出部１３５が形
成される。

【０００６】従来、これらの表面伝導型電子放出素子に
おいては、電子放出を行なう前に導電性膜１３４にあら
かじ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１３５を形成するのが一般的であった。

【０００７】即ち、前記導電性膜１３４両端に直流電圧
あるいはパルス電圧を印加し、導電性膜１３４を局所的
に破壊、変形もしくは変質させて、電気的に高抵抗な状
態にした電子放出部１３５を形成するのである。この
時、導電性膜１３４の一部に亀裂が発生し、微小間隙が
形成される。

【０００８】フォーミングを終えた素子に対して活性化
処理と呼ばれる処理を施す場合がある。活性化処理工程
とは、この工程により、素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが
著しく変化する工程である。

【０００９】活性化工程は、有機物質を含有する雰囲気
下で、フォーミング処理同様、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、炭素や炭素化合物が
素子の少なくとも電子放出部に堆積し、素子電流Ｉｆ、
放出電流Ｉｅが、著しく変化し、より良好な電子放出特
性を得ることができるようになる。

【００１０】前記活性化工程を終えた表面伝導型電子放
出素子は、上記導電性膜１３４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１３５（微小間
隙付近）より電子を放出させるものである。

【００１１】以上のような電子放出素子を複数個形成し
た電子源基体を用いれば、蛍光体などからなる画像形成
部材と組み合わせることで画像形成装置を構成すること
ができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前述の表面伝導型素子
を画像形成装置として用いるためには、実用的な電圧
（例えば１０Ｖ〜２０Ｖ）で十分な放出電流Ｉｅが得ら
れること、放出電流Ｉｅおよび素子電流Ｉｆが駆動中に
大きく変動しないこと、長時間にわたり放出電流Ｉｅ及
び素子電流Ｉｆが劣化しないこと、放出電流Ｉｅおよび
素子電流Ｉｆが画像表示面内で均一に得られること、で
きるだけ安いコストで画像形成装置を製造するたとが求
められるが、従来の表面伝導型電子放出素子の構成では
以下のような問題点があった。

【００１３】表面伝導型電子放出素子のフォーミングに
よって生じた微小間隙の間隔は、不均一な形状を呈して
いるだけでなく、その間隙が電極間に存在する導電性膜
内で蛇行して形成される。このため、素子電極から間隙
までの距離が不均一であるため、電極から間隙間に存在
する導電成膜に抵抗のばらつきが生じる。

【００１４】先述した活性化工程では、堆積された炭素
あるいは炭素化合物によって、約１ｎｍ〜数十ｎｍ程度
の間隙が形成される。活性化中はフォーミングで形成さ
れた微細な間隙間でトンネル電流に類似の電流が流れる
が、前述のフォーミング工程で生じた導電成膜の抵抗値
のばらつきを反映して電位差等が発生し、その結果、初
期のフォーミングのばらつきを持ったまま活性化が進行
することがわかってきた。

【００１５】このため、フォーミング時の微小間隙の不
均一さに依存して、堆積炭素あるいは炭素化合物の堆積
量が不均一となる。さらには、堆積炭素あるいは炭素化
合物の構成比が不均一となることが推察される。

【００１６】活性化を終えた素子の素子電極に電圧を印
加すると、微小間隙間に生じる電界が不均一となるた
め、領域によって放出電流Ｉｅの多少が生じたり、局所
的に大きな電界がかかり劣化しやすい領域が生じること
が懸念される。また、放出電流Ｉｅが素子間でばらつい
たり、駆動中の特性の変動や劣化が少なくなった。

【００１７】活性化を用いた電子放出素子を用いて、例
えば蛍光体を画像形成部材とする画像形成装置、特に低
電力で明るい高品位な画像形成装置、例えばフラットテ
レビを形成すると、上記活性化工程によって形成した電
子放出素子でも、放出電流Ｉｅおよび素子電流Ｉｆが画
像表示面内で均一であることに関しては不充分であっ
た。

【００１８】さらに、上述の表面伝導型電子放出素子の
製造工程にあっては、導電性膜の付与工程、フォーミン
グ工程や活性化工程を必要としており、製造にかかわる
真空装置、蒸着装置等の装置コストや、構成に係る導電
性材料、マスク材料、フォトリソグラフィ材料等の材料
コストが必要となるだけでなく、工程にかかわる時間が
長いために、プロセスに係る全体のコストが大きかっ
た。

【００１９】本発明は上記の従来技術の課題を解決する
ためになされたもので、その目的とするところは、良好
な電子放出特性を長時間にわたり安定して実現する、低
コストで作製可能な電子放出素子及び電子源、さらには
良好な電子放出特性が均一に得られる高輝度で均一な表
示特性に優れた画像形成装置、そして低コストで作製可
能とする電子放出素子の製造方法を提供することにあ
る。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の電子放出素子にあっては、基体上に積層され
た第１電極層と、該第１電極層上の所定領域に積層され
る第１絶縁層と、該第１絶縁層上及び前記第１絶縁層が
積層されていない前記第１電極層上に積層される第２絶
縁層と、該第２絶縁層上に積層される第２電極層と、を
備え、前記第１電極層と前記第２電極層との間にカーボ
ン膜を有することを特徴とする。

【００２１】したがって、第１電極層と第２電極層との
間にカーボン膜を有することで、高電界領域を選択に形
成し、形成されたこの高電界領域からのみ電子を放出さ
せることが可能となる。

【００２２】前記第１電極層と前記第２電極層との間に
前記第２電極層だけが介された領域は実質的な電子放出
部が配されていることが好ましい。

【００２３】前記導電性膜は前記第１電極層側に主とし
て堆積することが好ましい。

【００２４】前記電子放出素子は表面伝導型電子放出素
子であることが好ましい。

【００２５】本発明の電子源にあっては、上記の電子放
出素子を同一基体上に複数備えたことを特徴とする。

【００２６】したがって、電子放出部を形成した均一の
電子放出素子を大量に同一基体上に複数備えることがで
き、安価に高性能化を図ることができる。

【００２７】前記複数の電子放出素子を基体上に配置
し、前記第１電極層に接続される低電位供給用配線と、
前記第２電極層に接続される高電位供給用配線を備え、
前記低電位用供給用配線と前記高電位供給用配線がマト
リクス配置されていることが好ましい。

【００２８】本発明の画像形成装置にあっては、入力信
号に基づいて電子を放出する、上記の電子源と、該電子
源から放出された電子によって画像を形成する画像形成
部材と、を備えたことを特徴とする。

【００２９】したがって、電子放出部を形成した均一の
電子放出素子を大量に同一基体上に複数備えることがで
き、安価に高性能化を図ることができる。

【００３０】基体に、互いに電気的に絶縁された走査配
線と情報配線とを備え、前記第１電極層を通じて走査信
号を印加し、前記第２電極層を通じて情報信号を印加す
ることで画像が形成されることが好ましい。

【００３１】前記画像形成部材は蛍光体であることが好
ましい。

【００３２】本発明の電子放出素子の製造方法にあって
は、基体上に第１電極層を積層し、該第１電極層上の所
定領域に第１絶縁層を積層し、該第１絶縁層上及び前記
第１絶縁層の積層されていない前記第１電極層上に第２
絶縁層を積層し、該第２絶縁層上に第２電極層を積層
し、前記第１電極層と前記第２電極層との間にカーボン
膜を形成することを特徴とする。

【００３３】したがって、従来必要とされた、フォーミ
ング工程、活性化工程を不要とし、きわめて短時間に均
一性の高い電子放出素子を低コストかつ安易に製造する
ことが可能となる。

【００３４】前記カーボン膜は、炭素化合物ガス中で、
外部から電子線を照射しながら前記第１電極層と前記第
２電極層との間に電圧を印加することにより形成される
ことが好ましい。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、この発明
の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただ
し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、
材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載が
ない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣
旨のものではない。

【００３６】図１〜図１２を参照して、実施の形態につ
いて説明する。

【００３７】本発明の主目的である均一性の向上と低コ
ストを可能にする電子放出素子の構成について説明をす
る前に、この素子の作製に用いる製造方法の一例につい
て説明する。

【００３８】図２は本発明の素子を作成するために用い
ることのできる製造方法の一例を示すものである。２１
は絶縁性基体、２２，２３は電極、２５はカーボンを主
成分とする導電性膜（カーボン膜）、２６は電子線透過
窓、２７は電子ビーム発生装置、２８は真空排気装置、
２９は炭素化合物を封入した容器、３０，３１は真空バ
ルブ、３２は真空容器を示している。ここでは従来例と
同様な素子構成を用いて説明する。

【００３９】最初に絶縁性基体２１に電極２２，２３を
形成し、出来上がった基体を真空容器３２に取り付け
る。

【００４０】次にバルブ３０を空けて真空装置２８で内
部の空気を排気する。

【００４１】真空度がおよそ１×１０^-5Ｐａ程度に到達
したら、バルブ３１を空けて炭素化合物を真空容器３２
内に導入し、炭素化合物（有機ガス）雰囲気を形成す
る。

【００４２】このときの好ましい有機物質のガス圧は、
真空容器の形状や、炭素化合物（有機物質）の種類など
により異なるため場合に応じ適宜設定される。

【００４３】適当な炭素化合物（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、ニトリル類、フェノール、カルボン、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_nＨ_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_nＨ_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、ベンゾニトリル、
アセトニトリル、蟻酸、酢酸、プロピオン酸等が使用で
きる。

【００４４】次に外部より電子線発生装置２７を用いて
素子に電子ビームを照射する。このときの電子線のエネ
ルギーはＥ１［ｅＶ］になるように調整される。

【００４５】さらに基体に形成された二つの電極の一方
には外部よりＶ２なる電位が与えられる。

【００４６】このときの電子線のエネルギーＥ１と素子
に印加した電圧Ｖ２の関係を示したのが図３である。こ
こでｅは素電荷（１．６×１０^-19Ｃ）を表す。

【００４７】図３において入射した電子線のエネルギー
をＥ１，Ｖ２が印加されている電極のポテンシャルはＥ
２で表されている。このポテンシャル図から分かるよう
に、電子のエネルギーよりも電極のポテンシャルがＥ３
で示される値だけ高いため、Ｖ２なる電位が与えられた
電極には電子が到達することが困難となる。

【００４８】図２に示されるように電極２２，２３の間
に等電位線１２が形成され、このうち前述のＥ３に相当
する電位よりも高いポテンシャル障壁２４が形成されて
いるところで電子が跳ね返される。このため二つの電極
２２，２３間で電子が照射される領域と、基本的に電子
が照射されない領域が形成される。

【００４９】さらに電子が照射された領域では電子線の
エネルギーによる炭素化合物（有機物質）の堆積が生じ
る。

【００５０】このため、電極２２，２３間には電子線に
よって炭素化合物（有機物質）が分解して堆積する領域
Ｄ１とほぼ堆積しない領域Ｄ２が形成される。

【００５１】この領域（以後ギャップと呼ぶ）Ｄ２は電
子線の照射前後で変化が生じる。この変化を図４を用い
て説明する。図４は図２と同様な構成で素子に電子を照
射した時、電子線照射の時間経過に応じたギャップ形成
の様子を模式的に表したものである。

【００５２】電子線を照射した初期の図４（ａ）では等
電位線１２は電極間全体にわたって、ほぼ等間隔で形成
される。このため領域Ｄ２は図に示すような場所に形成
されると予想される。

【００５３】電極間に炭素化合物の堆積が進み、ｓｐ２
結合によるπ電子が生成されて、堆積膜に導電性が付与
されると、もはや電極間全体にわたった等電位線は変化
すると考えられる。このため新たに堆積した堆積膜の先
端とＶ２の印加された電極の間に新たに等電位分布が形
成されると考えられる（図４（ｂ））。

【００５４】炭素化合物の堆積が進行すると図４（ｂ）
の堆積膜の先端とＶ２の印加された電極の間を拡大した
図４（ｃ）に示すように、堆積膜自身の先端が新たに電
極となって、初期のギャップＤ２をさらに埋めるように
堆積が進行することを意味している。

【００５５】この結果初期のギャップＤ２と照射後期の
ギャップＤ３の間にはＤ２＞Ｄ３の関係となり、照射時
間によってギャップ間距離を制御することが可能とな
る。

【００５６】すなわち、上記製造方法では与えられる電
位は一定であるから、電極間の距離が長ければ、すなわ
ち電界が弱ければ形成されるギャップＤ２は大きな値に
なり、電極間の距離が短かければ、すなわち電界が強け
れば形成されるギャップＤ２は小さな値となる。

【００５７】この進行過程により、二つの電極間に形成
される電界は、炭素化合物の堆積に伴なってギャップが
小さくなるため、結果として電界が初期値よりも大きく
なる。形成された電界がトンネリングに必要な値になれ
ば、電子を放出させることが可能となる。

【００５８】また、電極間の距離を電極長に渡って均一
に形成することができれば、最終的な電子放出に必要と
されるギャップも均一に形成される。この電子線照射を
用いたカーボン膜の形成工程を以後電子線アシスト活性
化と呼ぶ。

【００５９】この電子線アシスト活性化を用いると、従
来の外部からの電子線照射を用いない活性化による素子
作製方法と比較して、導電性膜の形成、フォーミング工
程、を省略できるだけでなく、従来の活性化工程に見ら
れるような、フォーミング時のばらつきを反映したカー
ボン膜の不均一な形成が起きない。

【００６０】ここで用いる電子線のエネルギーＥ１は最
低１０ｅＶ必要であり、少なくとも活性化に用いる炭素
化合物が固有に持つ電離電圧以上のエネルギーが必要で
ある。

【００６１】素子電極に与える電位Ｖ２は電子線のエネ
ルギーＥ１とそのエネルギーの広がりの半値幅ΔＥを考
慮して適宜決められる。ただし、少なくともｅＶ２＞Ｅ
１＋ΔＥなる関係が必要である。

【００６２】電子線アシスト活性化を用いて導電性膜
（カーボン膜）の堆積を行う場合、絞り（金属マスク）
２６を用いて必要以外の場所に電子線が照射されて導電
性のリークが形成されることが好ましい。しかしなが
ら、この絞り２６は単素子の形成では利用しやすい利点
があるが、素子数が増えた場合あるいは付着領域が微細
になった場合には、絞り２６の形成や、位置合わせに時
間とコストが必要となる。

【００６３】本発明はこの絞り２６を用いずとも所望の
場所に選択的に導電性膜（カーボン膜）７を形成するこ
とができる。

【００６４】以下本発明の作用について述べる。図１
（ａ）は本発明による電子放出素子の一例を示す模式
図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ間断面図、図１
（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ間断面図、図１（ｄ）は図
１（ａ）のＣ−Ｃ間断面図を示している。

【００６５】図１（ｂ）において、１は基体、２は第１
電極層としての下電極、３は第１絶縁層としての層間絶
縁層、４は第２絶縁層としてのギャップ形成絶縁層、５
は第２電極層としての上電極、７は炭素を主成分とする
導電性膜（カーボン膜）である。

【００６６】図１（ａ）に示すように、層間絶縁層３に
は切り欠き部が形成されている。この切り欠き部を横断
するようにギャップ形成絶縁層４および上部電極５が形
成されていることが特徴である。

【００６７】尚、本件では、「切り欠き部」を以下の様
に定義する。任意の２次元形状に直線を押し当て、任意
形状と直線との少なくとも２点の接点を結ぶ直線（線
分）と、任意形状と、で囲まれた間に空間が形成された
場合、この空間部分を「切り欠き部」と呼ぶ。切り欠き
部は、線分側が外側の開口部となっている。また、「切
り欠き部の側壁」は、切り欠き部が積層されて形成され
た線分部分側の平面をいい、幅は線分の長さをいう。

【００６８】この構成により、ギャップ形成絶縁層４を
挟んで下電極２と上電極５が形成されている領域は、前
述の切り欠き部の内側にのみ存在する構成となる。

【００６９】切り欠き部内領域以外ではギャップ形成絶
縁層４に加えて層間絶縁層３を挟んで下電極２と上電極
５が存在する構成となる。

【００７０】ここで、層間絶縁層３の厚さを、ギャップ
形成絶縁層４の厚さよりもはるかに厚くすることによ
り、切り欠き部の内側に形成される領域での電界だけが
切り欠き部から離れた場所での電界よりもはるかに強く
なるような構成とすることが可能となった。

【００７１】たとえば、図１（ｂ）に示す様に、層間絶
縁層３よりもギャップ形成絶縁層４を薄くし、かつ下電
極２と上電極５との沿面距離がギャップ形成絶縁層４の
厚さよりも長くすることで、電子線アシスト活性化によ
って、電子放出部となるべき領域以外での、不要な堆積
を減らし、リーク等を低減することが可能となる。

【００７２】したがって、層間絶縁層３の厚さを、ギャ
ップ形成絶縁層４の厚さよりもはるかに厚く構成し、前
述の電子線アシスト活性化を行うと、この切り欠き部に
よって形成された切り欠き部側壁の一段低い段差部分が
最も高い電界が形成されるため、この領域でのみ最も早
く電子放出に必要な電界に達する。

【００７３】この切り欠き部分以外の領域であっても、
堆積がある程度認められるが層間絶縁層３の厚さが厚い
ために、電子放出に必要な電界が得られない。

【００７４】したがって、実質的に電子放出部を切り欠
き部側壁だけに限定して製造することが可能となった。
電子線のエネルギーにも依存するが、絶縁層上では電子
線照射によりチャージアップ現象あるいは電子の弾性多
重散乱によって、導電体の上での堆積よりも薄くなる傾
向があった。

【００７５】この結果、本発明の構成で電子線アシスト
活性化により、特別な絞りマスクを用いずとも切り欠き
部に形成されたギャップ絶縁層領域４の中に高電界領域
（図不図示）を選択に形成し、形成されたこの高電界領
域からのみ電子を放出させることが可能となった。

【００７６】またこの手法によると、従来必要とされ
た、フォーミング工程、活性化工程を不要とし、きわめ
て短時間に電子放出素子を製造することが可能となっ
た。

【００７７】さらにこの手法によると、単素子だけでな
く、複数の素子を備えた画像形成装置に対して適応可能
となり、安価に画像形成装置を提供することが可能とな
る。

【００７８】本構成を用いた有機物質である導電性膜７
の堆積の均一性は、その堆積の機構が物理的な等電位線
の形成に依っているため、層間絶縁層３及びギャップ形
成絶縁層４の厚さの均一性にのみ依存する。このため、
層間絶縁層３の厚さの均一性と同程度の均一性が堆積す
る導電性膜７にも得られる。

【００７９】

【実施例】（実施例１）図５（ａ）に本実施例により作
製した電子放出素子を素子上部から見た様子を示し、図
５（ｂ）に図５（ａ）のＡ−Ａ線で切ったときの電子放
出素子の断面図を示す。

【００８０】図５（ｂ）において、１は基体、２は下電
極、３は層間絶縁層、４はギャップ形成絶縁層、５は上
電極、６は厚膜電極、７は炭素を主成分とする導電性膜
である。

【００８１】図６は図５の電子放出素子の製造方法の一
例を示した。ここで図６（ａ）から図６（ｄ）までは素
子上部から見た様子を示し、図６（ａ）から図６（ｄ）
にそれぞれに対応した素子断面図（Ａ−Ａ断面）を図６
（ｅ）から図６（ｈ）に示す。

【００８２】以下に図６を用いて本実施例の電子放出素
子の製造工程を詳細に説明する。

【００８３】（工程１）基体１に無アルカリガラス基体
を用い、十分洗浄を行った後、下電極２としてスパッタ
法により厚さ３００ｎｍのＴａによる下部を堆積した。

【００８４】次に、フォトリソグラフィ工程で、ポジ型
フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）を
用いてレジストパターンを形成した。

【００８５】次に、パターニングした前記フォトレジス
トをマスクとし、Ｔａ層をＣＦ₄ガスを用いてドライエ
ッチングし下電極２を形成した（図６（ａ）、図６
（ｅ））。

【００８６】（工程２）層間絶縁膜３として厚さ５００
ｎｍのＳｉＯ₂を、ｒｆスパッタ法を用いて堆積した。

【００８７】次に、フォトリソグラフィ工程で、ポジ型
フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）を
用いてレジストパターンを形成した。

【００８８】次に、パターニングした前記フォトレジス
トをマスクとし、層間絶縁層３をフッ酸系のウエットエ
ッチングを行い、下電極２で停止させた。

【００８９】この時図６（ｂ）に示すように層間絶縁層
３に切り欠き形状を形成した（図６（ｂ）、図６
（ｆ））。

【００９０】（工程３）ギャップ形成絶縁層４としてＳ
ｉＯ₂を厚さ５０ｎｍ、上電極５としてＴａを厚さ約２
０ｎｍを堆積した。

【００９１】次に、フォトリソグラフィ工程で、ポジ型
フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）を
用いてレジストパターンを形成した。

【００９２】次に、パターニングした前記フォトレジス
トをマスクとし、ギャップ形成絶縁層４、上電極５をＲ
ＩＥによりエッチングした。上電極５のエッチングガス
にはＣｌ₂ガスを選択し、ギャップ形成絶縁層４のエッ
チングガスにはＣＨＦ₃ガスを選択した。

【００９３】またドライエッチング時の他の条件は装置
のサイズや構成、基体サイズで異なるが、本実施例では
圧力２０ｍＴｏｒｒ、放電電力１００Ｗ（ただし基体サ
イズ３０ｍｍ×３０ｍｍ）を用いた。このときのギャッ
プ形成絶縁層４と下電極２とのエッチング選択比が２倍
以上あることを利用して下電極２でエッチングを停止さ
せた。

【００９４】上電極５とギャップ形成絶縁層４の一端部
は図６（ｃ）に示すように層間絶縁層３に形成された切
り欠き形状縁を横切るように形成することで、ギャップ
形成絶縁層４で隔てられた高電界領域が線分状（壁面は
所定幅の平面状）に切り欠き形状内だけに形成されるよ
うになった（図６（ｃ）、図６（ｇ））。

【００９５】（工程４）次に薄い上電極５での電位降下
を防止するために厚さ５００ｎｍのＡｌ−Ｓｉ合金から
なる膜厚電極６をｒｆスパッタ法で堆積した。

【００９６】次に、フォトリソグラフィ工程で、ポジ型
フォトレジスト（ＡＺ１５００／クラリアント社製）を
用いてレジストパターンを形成した。

【００９７】次に、パターニングした前記フォトレジス
トをマスクとし、Ａｌ−Ｓｉ合金をＣｌ₂ガスを用いて
ドライエッチングし厚膜電極６を形成した（図６
（ｄ）、図６（ｈ））。

【００９８】（工程５）図７は図５で説明した素子に導
電性膜（カーボン膜）７を電子線アシスト活性化にて作
製する方法を示すものである。７はカーボンを主成分と
する導電性膜、８は真空排気装置、９はエチレン物質を
封入した容器、１０，１１は真空バルブ、１２は真空容
器、１３は外部電子線発生装置を示している。

【００９９】前工程でできあがった素子を真空容器１２
に取り付け、次にバルブ１０を空けて真空装置８で内部
を排気する。

【０１００】真空度がおよそ１×１０^-5Ｐａ程度に到達
したら、バルブ１１を空けてエチレンを真空容器１２内
に導入し、有機ガス雰囲気を形成する。このときのエチ
レンの圧力は用いる基体温度などで変化するが、基体温
度が室温ではおよそ１×１０ ^-2Ｐａ程度に設定した。

【０１０１】次に外部より電子線発生装置１３を用いて
素子に電子ビームを照射する。このときの電子線のエネ
ルギーは１５［ｅＶ］になるように調整された。さらに
基体１に形成された上電極５には外部より−２０Ｖなる
電位、下電極２にはゼロ電位を与えた。

【０１０２】このとき素子には外部より与えられた電子
の障壁となる電位障壁１４には薄い切り欠き部側の電位
障壁の厚さがＤ５、厚い層間絶縁層３を含む側の厚さが
Ｄ４に示されるように形成されることで、切り欠き部側
が厚い層間絶縁層３を含む側よりも早く電界が強まる構
成に達すると推察される。

【０１０３】実際に、この電子線アシスト活性化を上記
構成の電子放出素子の導電性膜７形成に用いると切り欠
き部側にのみ電界電子放出に十分な電界を形成すること
が可能となった。

【０１０４】尚、電子放出に十分な電界であるかどうか
は電極２，５間に流れる電流を計測してモニタすること
でこの工程の終点とすることが出来た。

【０１０５】次に、再び２×１０^-6Ｐａに到達するまで
十分に排気後、図８に示したように高電圧電源を用いて
陽極１１１に高電圧Ｖａを印加し、素子には駆動電圧Ｖ
ｆ＝１５Ｖからなるパルス電圧を上電極に印加して流れ
る素子電流Ｉｆと電子放出電流Ｉｅを計測した。

【０１０６】素子のＩｆ，Ｉｅ特性は図９に示すような
特性であった。すなわち印加電圧の約半分からＩｆ，Ｉ
ｅとも急激に立ち上がる特性であった。

【０１０７】本素子の作成方法による電子放出特性は、
電子放出部の均一性の向上により、放出された電子放出
電流Ｉｅの変動が従来よりも小さく、素子間のばらつき
も小さいことが確認された。

【０１０８】また従来の素子製造工程で必要であったフ
ォーミング工程、活性化工程が不要となるばかりでな
く、電子線アシスト活性化における電子線絞り機構（マ
スク）が不要となり、低コストかつ安易な製造方法で素
子を作製することが可能となった。

【０１０９】（実施例２）本発明を適用可能な電子放出
素子を複数配して得られる画像形成装置について、図１
０を用いて説明する。図１０において、１５１は電子源
基体、１５２はＸ方向配線、１５３はＹ方向配線であ
る。１５４は本発明の電子放出素子、１５５は結線であ
る。

【０１１０】複数配置したことに伴う素子の容量が増大
すると、図１０に示すマトリクス配線においては、パル
ス幅変調に伴う短いパルスを加えても容量成分により波
形がなまり、期待した階調が取れないなどの問題が生じ
る。このため本実施例では実施例１に示したように電子
放出部のすぐ脇に、層間絶縁層を配し、電子放出部以外
での容量性分の増加を低減する構造を採用した。

【０１１１】図１０においてｍ本のＸ方向配線１５２は
ＤＸ₁，ＤＸ₂，…ＤＸ_mからなり、蒸着法にて形成され
た厚さ約１μｍ、幅３００μｍのアルミニウム系配線材
料で構成されている。配線の材料、膜厚、巾は、適宜設
計される。Ｙ方向配線１５３は厚さ０．５μｍ、幅１０
０μｍ、ＤＹ₁，ＤＹ₂，…ＤＹ_nのｎ本の配線よりな
り、Ｘ方向配線１５２と同様に形成される。これらｍ本
のＸ方向配線１５２とｎ本のＹ方向配線１５３との間に
は、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電気
的に分離している（ｍ，ｎは、共に正の整数）。

【０１１２】不図示の層間絶縁層は、スパッタ法等を用
いて厚さ約０．８μｍのＳｉＯ₂で構成された。Ｘ方向
配線１５２を形成した基体１５１の全面或は一部に所望
の形状で形成され、特に、Ｘ方向配線１５２とＹ方向配
線１５３の交差部の電位差に耐え得るように、本実施例
では１素子当たりの素子容量が１ｐＦ以下、素子耐圧３
０Ｖになるように層間絶縁層の厚さが決められた。Ｘ方
向配線１５２とＹ方向配線１５３は、それぞれ外部端子
として引き出されている。

【０１１３】本発明の放出素子１５４を構成する電極
は、ｍ本のＸ方向配線１５２とｎ本のＹ方向配線１５３
と導電性金属等からなる結線１５５によって電気的に接
続されている。

【０１１４】Ｘ方向配線１５２には、Ｘ方向に配列した
本発明の電子放出素子１５４の行を、選択するための走
査信号を印加する不図示の走査信号印加手段が接続され
る。一方、Ｙ方向配線１５３には、Ｙ方向に配列した本
発明の電子放出素子１５４の各列を入力信号に応じて、
変調するための不図示の変調信号発生手段が接続され
る。各電子放出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。

【０１１５】本素子基体を図７と同様な電子線照射装置
の中に配置し、選択された下電極１５２に０Ｖと選択さ
れた上電極１５３に−３０Ｖの電位を印加し、電子線の
エネルギーを２５Ｖに設定して、カーボン膜の堆積を行
った。

【０１１６】選択素子は線順次あるいは点順次に駆動さ
れ、電流をｘ方向とｙ方向の配線間に流れる電流をモニ
タしながらこの工程の終点が決められた。

【０１１７】上記構成においては、単純なマトリクス配
線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とす
ることができる。

【０１１８】このような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について、図１１を用いて
説明する。図１１は、ガラス基体材料としてソーダライ
ムガラスを用いた画像形成装置の表示パネルを示す図で
ある。

【０１１９】図１１において、１５１は電子放出素子を
複数配した電子源基体、１６１は電子源基体１５１を固
定したリアプレート、１６６はガラス基体１６３の内面
に蛍光膜１６４とメタルバック１６５等が形成されたフ
ェースプレートである。１６２は、支持枠であり該支持
枠１６２には、リアプレート１６１、フェースプレート
１６６がフリットガラス等を用いて接続されている。１
６７は外囲器であり、真空中で、４５０度の温度範囲で
１０分焼成することで、封着して構成される。

【０１２０】１５４は、電子放出部に相当する。１５
２，１５３は、本発明の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。

【０１２１】外囲器１６７は、上述の如く、フェースプ
レート１６６、支持枠１６２、リアプレート１６１で構
成される。一方、フェースプレート１６６、リアプレー
ト１６１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もつ外
囲器１６７を構成した。

【０１２２】図１１において蛍光膜１６４の内面側に
は、通常メタルバック１６５が設けられる。

【０１２３】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Ａｌを、真空蒸着等を用いて
堆積させることで作られた。

【０１２４】フェースプレート１６６には、更に蛍光膜
１６４の導電性を高めるため、蛍光膜１６４の外面側に
透明電極（不図示）を設けた。

【０１２５】前述の封着を行う際には、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、
十分な位置合わせが不可欠となる。

【０１２６】次に画像形成装置の駆動回路について図１
２を用いて説明する。

【０１２７】走査回路１８２について説明する。同回路
は、内部にＭ個のスイッチング素子を備えたもので（図
中、Ｓ１ないしＳｍで模式的に示している）ある。各ス
イッチング素子は、直流電圧源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１８１の端子Ｄｏｘ１ないしＤｏｘｍと電気的に
接続される。Ｓ１乃至Ｓｍの各スイッチング素子は、制
御回路１８３が出力する制御信号ＴＳＣＡＮ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。

【０１２８】直流電圧源Ｖｘは、本例の場合には本発明
の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ような一定電圧を出力するよう
設定されている。

【０１２９】制御回路１８３は、外部より入力する画像
信号に基づいて適切な表示が行な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１８３は、同期
信号分離回路１８６より送られる同期信号ＴＳＹＮＣに
基づいて、各部に対してＴＳＣＡＮおよびＴＳＦＴお
よびＴＭＲＹの各制御信号を発生する。

【０１３０】同期信号分離回路１８６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１８６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。該ＤＡＴＡ信号はシフトレジスタ１８４に入力され
る。

【０１３１】シフトレジスタ１８４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１８３より送られる制御信号ＴＳＦＴに基づい
て動作する（即ち、制御信号ＴＳＦＴは、シフトレジ
スタ１８４のシフトクロックであるということもでき
る。）。シリアル／パラレル変換された画像１ライン分
（電子放出素子Ｎ素子分の駆動データに相当）のデータ
は、Ｉｄ１乃至ＩｄｎのＮ個の並列信号として前記シフ
トレジスタ１８４より出力される。

【０１３２】ラインメモリ１８５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記憶装置であり、制
御回路１１３より送られる制御信号ＴＭＲＹに従って
適宜Ｉｄ１乃至Ｉｄｎの内容を記憶する。記憶された内
容は、Ｉｄ’１乃至Ｉｄ’ｎとして出力され、変調信号
発生器１８７に入力される。

【０１３３】変調信号発生器１８７は、画像データＩ
ｄ’１乃至Ｉｄ’ｎの各々に応じて本発明の電子放出素
子の各々を適切に駆動変調する信号源であり、その出力
信号は、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを通じて表示パネル
１８１内の本発明の電子放出素子に印加される。

【０１３４】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Ｉｅに対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Ｖｔｈ
があり、Ｖｔｈ以上の電圧を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、
例えば電子放出閾値以下の電圧を印加しても電子放出は
生じないが、電子放出閾値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Ｖ
ｍを変化させる事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。

【０１３５】したがって、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、パルス幅
変調方式等が採用できる。電圧変調方式を実施するに際
しては、変調信号発生器１８７として、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パルス
の波高値を変調するような電圧変調方式の回路を用いる
ことができる。

【０１３６】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１８７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。

【０１３７】シフトレジスタ１８４やラインメモリ１８
５は、デジタル信号式を用いた。

【０１３８】本実施例では、変調信号発生器１８７に
は、例えばＤ／Ａ変換回路を用い、必要に応じて増幅回
路などを付加する。パルス幅変調方式の場合、変調信号
発生器１８７には、例えば高速の発振器および発振器の
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）を組み合せた回路を用いた。

【０１３９】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方式など他、
これよりも、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。

【０１４０】本発明の画像形成装置は、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。

【０１４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、電子線
アシスト活性化により、特別な絞りマスクを用いずと
も、第１電極層と第２電極層との間に相対的に薄く形成
された第２絶縁層だけが介された領域の側壁に、高電界
領域を選択に形成し、形成されたこの高電界領域からの
み電子を放出させることが可能となった。

【０１４２】またこの手法によると、従来必要とされ
た、フォーミング工程、活性化工程を不要とし、きわめ
て短時間に電子放出素子を製造することが可能となっ
た。

【０１４３】さらにこの手法によると単素子だけでな
く、複数の素子を備えた画像形成装置に対して適応可能
となり、安価に画像形成装置を提供することが可能とな
る。

【０１４４】本素子により、単素子では均一性に由来す
る、電子放出電流の時間変化（ゆらぎ）が減少した。

【０１４５】また画像形成装置においては、画素内のば
らつきが減少した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による基本的な電子放出素子の一例を示
す図。

【図２】電子線アシスト活性化製造方法を示す図。

【図３】電子線アシスト活性化で用いるポテンシャルエ
ネルギを示す図。

【図４】電子線アシスト活性化による堆積とギャップ形
成を説明する図。

【図５】本発明による基本的な電子放出素子の実施例を
示す図。

【図６】本発明による電子放出素子の実施例の製造方法
を示す図。

【図７】本発明による電子放出素子に電子線アシスト活
性化による製造方法を用いた図。

【図８】本発明の電子放出素子の一般的な駆動方法を示
す図。

【図９】本発明の電子放出素子の駆動特性を示す図。

【図１０】本発明の電子放出素子をマトリクス状に配置
して電子源に用いた時の構成を示す図。

【図１１】本発明の電子放出素子を画像形成装置に用い
た時の構成を示す図。

【図１２】本発明の電子放出素子を画像形成装置に用い
た時の駆動回路を示す図。

【図１３】従来の電子放出素子を示す図。

【符号の説明】

１，２１基体２，５，２２，２３電極３層間絶縁層４ギャップ形成絶縁層６厚膜電極７，２５導電性膜８，２８真空排気装置９，２９有機材料容器１０，１１，３０，３１バルブ１２，３２真空容器１３，２７電子線発生装置２６電子線透過絞り１５１電子源基体１５２Ｘ方向配線１５３Ｙ方向配線１５４電子放出素子１６１リアプレート１６２支持枠１６３ガラス基体１６４蛍光膜１６５メタルバック１６６フェースプレート１６７外囲器１８１画像表示パネル１８２走査回路１８３制御回路１８４シフトレジスタ１８５ラインメモリ１８６同期信号分離回路１８７変調信号発生器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体上に積層された第１電極層と、該第１電極層上の所定領域に積層される第１絶縁層と、該第１絶縁層上及び前記第１絶縁層が積層されていない
前記第１電極層上に積層される第２絶縁層と、該第２絶縁層上に積層される第２電極層と、を備え、前記第１電極層と前記第２電極層との間にカーボン膜を
有することを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】前記第１電極層と前記第２電極層との間に
前記第２電極層だけが介された領域は実質的な電子放出
部が配されている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】前記カーボン膜は前記第１電極層側に主と
して堆積することを特徴とする請求項１又は２に記載の
電子放出素子。
【請求項４】前記電子放出素子は表面伝導型電子放出素
子であることを特徴とする請求項１、２、又は３に記載
の電子放出素子。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれか一つに記載の電
子放出素子を同一基体上に複数備えたことを特徴とする
電子源。
【請求項６】前記複数の電子放出素子を基体上に配置
し、前記第１電極層に接続される低電位供給用配線と、前記
第２電極層に接続される高電位供給用配線を備え、前記低電位用供給用配線と前記高電位供給用配線がマト
リクス配置されていることを特徴とする請求項５に記載
の電子源。
【請求項７】入力信号に基づいて電子を放出する、請求
項５又は６に記載の電子源と、該電子源から放出された電子によって画像を形成する画
像形成部材と、を備えたことを特徴とする画像形成装
置。
【請求項８】基体に、互いに電気的に絶縁された走査配
線と情報配線とを備え、前記第１電極層を通じて走査信号を印加し、前記第２電
極層を通じて情報信号を印加することで画像が形成され
ることを特徴とする請求項７に記載の画像形成装置。
【請求項９】前記画像形成部材は蛍光体であることを特
徴とする請求項７又は８に記載の画像形成装置。
【請求項１０】基体上に第１電極層を積層し、該第１電極層上の所定領域に第１絶縁層を積層し、該第１絶縁層上及び前記第１絶縁層の積層されていない
前記第１電極層上に第２絶縁層を積層し、該第２絶縁層上に第２電極層を積層し、前記第１電極層と前記第２電極層との間にカーボン膜を
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１１】前記カーボン膜は、炭素化合物ガス中
で、外部から電子線を照射しながら前記第１電極層と前
記第２電極層との間に電圧を印加することにより形成さ
れることを特徴とする請求項１０に記載の電子放出素子
の製造方法。