JP2949639B2

JP2949639B2 - 電子放出素子、電子源、画像形成装置及び、それらの製造方法

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Publication number: JP2949639B2
Application number: JP21180890A
Authority: JP
Inventors: 理恵高橋; 一郎野村; 嘉和坂野; 俊彦武田; 哲也金子; 治人小野; 英俊鱸
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-08-10
Filing date: 1990-08-10
Publication date: 1999-09-20
Anticipated expiration: 2014-09-20
Also published as: JPH0494032A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、冷陰極型の電子放出素子、該素子を複数有
する電子源、該電子源を用いた画像形成装置及び、それ
らの製造方法に関する。

［従来の技術］従来、簡単な構造で電子の放出が得られる素子とし
て、例えばエムアイエリンソン（M.I.Elinson）等
によって発表された冷陰極素子が知られている［ラジオ
エンジニアリングエレクトロンフィジックス（Ra
dio Eng. Electron Phys.）第10巻,1290〜1296頁,19
65年］。

これは、基板上に形成された小面積の薄膜に、膜内に
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、一般には表面伝導形電子放出素子と呼
ばれている。

この表面伝導形電子放出素子としては、前記エリソン
等により開発されたSnO₂（Sb）薄膜によるもの［ジー・
ディトマー“スインソリドフィルムス”（G.Dittme
r:“Thin Solid Films"）,9巻317頁，（1972年］、IT
O薄膜によるもの［エムハートウェルアンドジー
シーフォンスタッド “アイイーイーイートランス”イ
ーディーコンファレン（M.Hartwell and C.G.Fonsta
d;“IEEE Trans.ED Conf."）519頁，（1975年）］、
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年）］などが報告されている。

これらの表面伝導形電子放出素子の典型的な素子構成
を第１図に示す。同図においで１および２は電子的接続
を得るための電極、３は電子放出材料で形成される薄
膜、４は基板、５は電子放出部を示す。

従来、これらの表面伝導形電子放出素子においては、
電子放出を行う前に予めフォーミングと呼ばれる通電処
理によって電子放出部を形成する。即ち、前記電極１と
電極２の間に電圧を印加する事により、薄膜３に通電
し、これにより発生するジュール熱で薄膜３を局所的に
破壊、変形もしくは変質せしめ、電気的に高抵抗な状態
にした電子放出部５を形成することにより電子放出機能
を得ている。

なお、電気的に高抵抗状態とは、薄膜３の一部に、0.
5μｍ〜５μｍの亀裂を有し、かつ亀裂内が、いわゆる
海島構造を有する不連続状態膜をいう。海島構造とは一
般に数十Åから数μｍ径の微粒子が基板４にあり、各微
粒子は空間的に不連続で電気的に連続な膜をいう。

従来、表面伝導形電子放出素子は上述高抵抗不連続膜
に電極1,2により電圧を印加し、素子表面に電流を流す
ことにより、上述微粒子より電子を放出せしめるもので
ある。

しかしながら、上記の様な従来の通電によるフォーミ
ング素子には次のような問題点があった。

１）電子放出部となる海島構造の設計が不可能なため、
素子の改良が難しく、素子間のばらつきも生じやすい。

２）フォーミング工程の際に生じるジュール熱が大きい
為、基盤が破壊しやすくマルチ化が難しい。

３）島の材料が金、銀、SnO₂、ITO等に限定された仕事
関数の小さい材料が使えないため、大電流を得ることが
できない。

以上のような問題点があるため、表面伝導形電子放出
素子は、素子構造が簡単であるという利点があるにもか
かわらず、産業上積極的に応用されるには至っていなか
った。

本発明者等は上記問題点を鑑みて検討した結果、特願
昭63−107570号，特願昭63−110480号において、電極間
に微粒子膜を配置しこれに通電処理を施すことにより電
子放出部を設ける新規な表面伝導形電子放出素子を提案
した。この新規な電子放出素子の構成図を第２図に示
す。

同図において、11及び12は電極、13は微粒子膜、14は
電子放出部、15は基板である。

この電子放出素子の特徴としては次のようなことが挙
げられる。

１）微粒子膜13に非常に少ない電流を流すことで電子放
出部14を形成できるので素子劣化のない素子が形成で
き、さらに電極の形状を任意に設計できる。

２）微粒子膜を形成する微粒子自身が電子放出の構成材
となる為、微粒子の材料や形状等の設計が可能となり、
電子放出特性を変えることができる。

３）素子の構成材であり基板15や電極の材料の選択性が
広がる。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上記発明者等が先に提案した表面伝導
電子放出素子においては、第２図に示す、電極間の微粒
子膜13内に電子放出部14が形成され、該電子放出部14が
電子の放出位置になっているが、実際には、電子放出部
14は0.01μｍ〜0.5μｍの微細な範囲から形成されてお
り、その位置は、微粒子膜の形成条件や通電処理の条件
等によってばらつきが生じ、電極間の所定の位置に正確
に配置することが困難であった。

第２図において、電子放出部は直線的に描かれている
が、実際には電極11及び12の間でかなり蛇行しており、
通電条件によりその形態はなり変化し、電子放出部の実
効的な長さが設計できなかった。

一般に、電極11と12の間隔は0.5μｍ〜50μｍである
が、電極間が広くなる程電子放出の位置を制御すること
が難しかった。

このような電子放出部の位置のばらつきは、電子放出
素子として応用する場合、電子放出量にばらつきを生
じ、特にこれらの素子を複数配置した面状電子源として
応用する場合には、場所によって電子放出量が変わると
いう問題があった。

面状電子源の有効な応用として、特開昭56−28445号
公報に記載してあるような、面状に展開した複数の電子
源と、この電子源から電子ビームの照射を各々受ける蛍
光体ターゲットとを、各々相対向させた薄形の画像形成
装置があるが、この画像形成装置の電子源として上記表
面伝導形電子放出素子を応用すると、各素子の電子放出
量が異なる為、場所によって蛍光体の蛍光輝度が異なり
表示むらを生じていた。

また、上述した第１図に示したような従来の電子放出
素子においては、フォーミングに要するパワーが大きい
為電子放出部や基板の劣化が著しく、電子放出特性や電
子放出部の位置を制御することは不可能であった。

すなわち、本発明の目的とするところは、上述の問題
点を解消した電子放出素子、該電子放出素子を複数備え
る電子源、該電子源を備える画像形成装置及び、それら
の製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段及び作用］上記の目的を達成すべく成された本発明の構成は、以
下の通りである。

すなわち、本発明第１は、絶縁性基板上に、段差部を
形成している金属からなる電子放出部規定部材を有し、
該電子放出部規定部材を跨いで一対の電極と接続する導
電性膜に、該電子放出部規定部材に沿って電子放出部が
形成されていることを特徴とする電子放出素子にある。

また、本発明第２は、絶縁性基板上に、金属からなる
電子放出部規定部材による段差部を形成し、該電子放出
部規定部材を跨いで一対の電極と接続するように形成さ
れた導電性膜に通電処理を施し、該導電性膜の該電子放
出部規定部材に沿って電子放出部を形成することを特徴
とする電子放出素子の製造方法にある。

また、本発明第３は、本発明第１の複数配置したこと
を特徴とする電子源にある。この場合には、第８図に示
されるように電子方出部規定部材32を複数の電子放出素
子に共通して設けることができる。

また、本発明第４は、本発明第３の電子源を製造する
際に、複数の電子放出素子を本発明第２の方法によって
製造することを特徴とする電子源の製造方法にある。

また、本発明第５は、本発明第３の電子源と、該電子
源から放出された電子の照射により画像を形成する画像
形成部材とを有することを特徴とする画像形成装置にあ
る。

さらに、本発明第６は、本発明第５の画像形成装置を
製造する際に、電源を本発明第４の方法にって製造する
ことを特徴とする画像形成装置の製造方法にある。

すなわち本発明は、対向する電極間に微粒子膜又は微
粒子を含む薄膜導電体を設け、その一部に絶縁性基板と
熱伝導率の異なる部材の段差部を設けることで、上述問
題点を解決するものである。

以下、本発明の構成要素及び作用にについて詳述す
る。

本発明における微粒子膜は、粒径が十Åから数μｍの
導電性微粒子の膜であり、薄膜導電体としては導電性微
粒子膜やこれら導電性微粒子が分散されたカーボン薄膜
が挙げられる。そしてこれらの膜はガスデポジション法
や分散塗布法等により電極間に形成される。

形状が定まった電子放出部の形成方法としては様々な
方法が考えられるが、その一例としては次ようなものが
ある。

第３図は本発明の一実施態様を示す素子構成図であ
る。導図において、31は絶縁性基板、32は電子放出部の
位置を規定するために段差部を形成する段差形成部材
（以下、「電子放出部規定部材」と記す。）、33と34は
電極、35は微粒子膜である。

本発明の電子放出素子は、第２図に示す電子放出素子
に対し電子放出部規定部材32があることを特徴とする。

ここでいう電子放出部規定部材についての形状と材料
について以下で説明する。

電子放出部規定部材によって形成される段差の大きさ
は、厚さが100Åから十μｍの間であればよく、0.1μｍ
〜１μｍであれば更に良い。また幅は電極間隔より狭け
ればよく電極間隔の1/2以下であれば更に良い。

電子放出部規定部材は基板と熱伝導率が異なる材料で
あれば良く、微粒子の材質、電極の間隔、電子放出部規
定部材の違いによって適当な材料を選択する必要があ
る。効果としては絶縁性基板と少しでも熱伝導率の異な
る材料であればよい。好適条件としては熱伝導率が２倍
以上異なるものが望ましい。例えば、絶縁性基板に青板
ガラスを用いたときは、Au等の金属材料を用いることに
より、この電子放出部規定部材に沿う絶縁性基板上に電
子放出部が形成できる。

電極33と34の間隔は0.1μｍ〜100μｍが望ましく、一
般には0.5μｍ〜10μｍが実用的である。また、電子放
出部規定部材32の厚さはその材料の種類にもよるが、通
常数100Å〜数μｍが望ましく、一般には0.1μｍ〜１μ
ｍが実用的である。

次に、電極間に有機金属を分散塗布し、その後焼成す
ることにより電極間に金属微粒子膜を形成する。金属微
粒子膜の微粒子の径は十Å〜数μｍが好ましく、その材
料はPd,Ag,Au,Ti等の金属、PdO,SnO₂等の酸化物導電体
導電性材料であればどれを用いても構わない。

以上のような段差部に設けられた微粒子膜に通電処理
を施すと、第３図に示すように電子放出部規定部材段差
に沿って電子放出部36が直線上に形成され、上述従来例
のような電子放出部が蛇行することはない。

勿論、規定部材が曲線であれば電子放出部は部材に沿
って曲線に形成されるものである。

通電処理の方法は、微粒子膜に通電することによりそ
の一部を高抵抗化して電子放出を形成するものや、微粒
子膜に通電することによりその一部を低抵抗化して電子
放出部を形成するものがあるがいずれを用いても構わな
い。

かかる通電処理時に微粒子膜の構造が変わり、上述し
たような不連続な電子放出部が形成される。実際、電子
放出部規定部材32による段差部が構造変化にどのような
役割を果たしているのかは不明であるが、発明者等は電
子放出部規定部材段差部近傍で温度分布或は電界分布が
不連続となり、それが原因で電子放出部規定材に沿って
電子放出部が形成されるものと推測している。また、単
なる段差形状のものと比較して段差部材として基板と熱
伝導率の異なる材料を用いると、より制御性が向上す
る。よって、電極間に基板と熱伝導率のことなる材料を
設ける以外にも温度と電界が不連続になる部材を設けれ
ば同等な効果が得られるものと期待できる。

第５図〜第６図は、本発明の一実施態様を示す素子断
面図であるが電子放出部規定部材による段差の形状は上
述のような三角形段差37の他にも、第６図で示す階段上
段差38等様々なものが考えられ、上述第３図の凸型形状
と同等な作用効果がある。

本発明の電子放出素子は、形状が定まった電子放出部
と電子放出部を挾み電子的に接続された微粒子膜と該電
子放出部と該微粒子膜に電流を通電するための電極を設
けるという素子構造であり、従来例と比較すれば電子放
出特性の制御が可能であるばかりでなく素子の再現性が
得られるようになる。

前述した複数の電子放出素子を設けた画像形成装置に
於いて、本発明の電子放出素子を用いれば、各素子の電
子放出量が同等となる為、表示むらがない良好な画像が
形成される。

［実施例］以下に、本発明を実施例を用いて更に詳述する。

実施例１（参考例）第３図は、本実験例の素子構成図であり、第４図はそ
の製造方法を示した説明図である。

先ず、本実施例の電子放出素子の製造方法を概略的に
説明する。

．絶縁性基板（石英基板）31を十分洗浄し通常良く用
いられる蒸着技術ホトリソ・エッチング技術を用いて電
極33及び34を形成する。電極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、本実施例ではNi金属を用いて形成した。この電極間
隔は実用的には0.5μｍ〜20μｍに形成されることが望
ましく、本実験例では５μｍギャップに形成した。

．次に通常よく用いられる薄膜パターニングプロセス
により電子放出部規定部材32を形成する。部材はアルミ
ナとし、幅は１μｍ、厚さは１μｍとした。

．次に有機パラジウムを電極33と34の間に分散塗布と
する。有機パラジウムは奥野製薬（株）CCP−4230を用
いた。

微粒子を分散したくないところにはテープ又はレジス
ト膜を設け、その後ディッピング法又はスピナーで有機
パラジウムを塗布する。次に300℃で１時間焼成し有機
パラジウムを分散し、パラジウムと酸化パラジウムの混
合した微粒子膜を形成する。次にテープ又はレジスト膜
を剥離することにより所定の位置に微粒子膜35を作成し
た。微粒子膜の幅Ｗ（第４図の断面に垂直方向）はどの
ような値のものでも構わないが本実施例では1mmとし
た。このとき、パラジウムと酸化パラジウムの微粒子の
径は共に10Å〜150Åであったが本発明はこれに限るも
のではない。

．次に電極33をマイナス側、電極34をプラス側となる
ように電源に接続し、微粒子膜35に通電処理を行った。
その結果、第３図に示すように電子放出部規定部材32の
段差に沿って電子放出部36が形成された。

ここで通電処理前の微粒子膜の厚さは数十Åから200
Åが実用的であるがこれに限るものではない。尚、この
ときの微粒子膜のシート抵抗は10³〜10¹⁰Ω／□程度で
ある。又、微粒子膜35の膜厚は、規定部材32の領域を含
めて電極間でほぼ均一であると考えられる。

本実施例に於ける通電処理に於いて電流の流れ向きを
電極34から電極33側にしたが、このように設定すること
により再現良く上述した位置に電子放出部を形成でき
た。

本実施例の電子放出素子を電子放出規定部材を設けて
いない従来の電子放出素子と比較したところ、電子放出
効果に於いてはほぼ同等の値が得られた。つぎに電子放
出部の形状を比較すると従来の素子は1mmの幅にわたっ
て大きく蛇行しているにもかかわらず、本実施例の電子
放出素子は電子放出部規定部材32の段差に沿ってほぼ直
線的に電子放出部が形成できた。電子放出部の位置が正
確に設定できることは、応用を考えると非常に重要な意
味がある。例えば、素子から放出された電子を偏向及び
変調するにあたって、その正確な制御をする為には電子
放出部の位置が正確に配置されている必要がある。よっ
て、本実施例の電子放出素子は位置設計が可能な表面伝
導形電子放出素子を提供するものである。

実施例２（参考例）第７図は本実施例の素子構成図である。

本実施例は、実施例１とほぼ同等の形状を成すもので
あるが、微粒子膜35をガスデポジション法で作成したも
ので、電子放出部規定部材32の側面上の39は電子放出部
である。

次に本実施例の製造方法を説明する。

．実施例１−と同材質、同方法で作成する。

．実施例１−と同一。

．実施例１−の同一。

．次に微粒子を所定の位置に形成する為に金属マスク
を電極33と34の間に配置し、ガスデポジション法で微粒
子膜35を作成した。その材料は、Au,Ag,Ti,Sn,Pd等の金
属またはその他のどのような導電性微粒子を用いても構
わないが、本実施例ではPdを用いた。また、その粒径は
50Å〜150Åであった。

．実施例１−と同一。

以上の工程により、本実施例の電子放出部39は、第７
図に示すように電子放出部規定部材32の段差側面に形成
された。これはガスポジション法による微粒子の作成法
に基づくものと考えられる。本実施例ではガスデポジシ
ョン法で微粒子を基板とほぼ直角方向から吹き付けてい
る為に段差部の側面で微粒子膜の厚さが薄く形成され、
通電処理により規定部材32の側面に形成されたものと推
測する。

本実施例は、実施例１と同様な検討をした結果、同等
な結果があった。

実施例３第８図は、本実施例の画像形成装置を示す構成図であ
る。本実施例の面状電子源は、実施例１の電子放出素子
を複数配列したもので、とくに電極33と電極34の間に電
子放出素子を並列に配置した線電子源を数本基板に規則
正しく設けたものである。

同図において、41はグリッド電極,42は電子通過孔,43
はガラス板,44は蛍光体,45はアルミニュム材からなるメ
タルバック,46はフェースプレート,47は蛍光体の輝点で
ある。

本実施例において、グリッド電極41は複数のライン電
極群からなり、面状電子源の電極群と直角方向に配置さ
れる。電位通過孔42は電子放出部36のほぼ鉛直上に設け
られ、グリッド電極41を信号電極、線電子源群を走査電
極として、XYマトリックス駆動を行い画像を形成するも
のである。

フェースプレート46は透明なガラス板43の上に蛍光体
44が一様に塗布され、さらにのその上にメタルバック45
を設けたものである。

本実施例の画像形成装置に於いて、電極33と電極34に
14Vの電圧を印加することにより各電子放出部36から電
子を放出させ、グリッド電極41に適当な電圧を印加する
ことにより電子を引きだし蛍光体44に電子を衝突させ
た。本画像形成装置は、当然ながら真空度１×10^-5Torr
×１×10^-7TOrrの環境下に置かれ、蛍光体に500〜5000V
の電圧を印加した。

本実験において、電子放出部規定部材32（段差）のな
い同様な画像形成装置と比較したところ次のような結果
を得た。

１）本実施例は各電子放出部から放出される電子量が等
しいので明るさが均一な表示画面が得られた。

２）本実施例は各電子放出部の位置が正確に定まってい
るので蛍光体上の輝点もほぼ同一な形状で規則正しい配
列であった。

それに比べ段差部のない装置は、輝点の形状と輝点の
ピッチが場所によって異なっていた。

このことから本実施例は、カラー画像、高精細画像を
得るのに効果がある。

また、電極間隔20μｍの素子に幅１μｍの電子放出部
規定部材を設けた場合の100素子のバラツキ目視により
評価した結果を以下に示す。なお、規定部材（電子放出
部規定部材）としてガラスを用いたものは参考例であ
る。

以上、本実施例は画像形成装置についのみ説明してき
たが、画像形成部材としては、蛍光体の他にレジスト材
や薄膜金属のような電子ビームが衝突することにより状
態が変化する全ての部材が含まれ、電子ビーム応用装置
としては、記録装置，記憶装置，電子ビーム描画装置等
の様々な装置があり、本発明は電子放出素子が複数配置
された面状電子源を用いた画像形成装置であれば同等の
効果がある。

実施例４（参考例）本実施例の素子構成は第９図で示したものである。

本実施例は、実施例１と製造方法、材質は同じである
が、31絶縁性基板と32電子放出部規定部材の間にNiの金
属薄膜40を設けている。この場合の電子検出部36は実施
例１、３と同様な位置に形成された。

また、本実施例は実施１、２、３と同様な検討をした
結果、同等な効果があった。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば電子放出素子の
電子放出部の位置及び形状を設計することが可能にな
り、次のように効果がある。

．電子放出量や電子放出効率等の電子特性が制御でき
るだけでなく、素子間で特性のばらつきの少ない素子製
造が可能になった。

．画像形成装置として均一な発行輝度の画像表示が得
られる。

．電子放出部の位置が正確に定まるので、画像形成装
置として蛍光体の輝点形状が均一な画像表示が得られる
ようになった。

．電子放出部の位置が正確に定まるので、画像形成装
置として変調電極の形状設計や制御系が簡単になる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の通電加熱によって作成された電子放出
素子の構成図である。第２図は、従来の微粒子膜及び微粒子を含む薄膜導電体
を通電処理することにより作成された電子放出素子の構
成図である。第３図は、本発明の実施例１に於ける電子放出素子の構
成図である。第４図は、本発明の実施例１に於ける電子放出素子の製
造方法を示した説明図である。第５〜６図は、本発明の他の実施形態を示す素子段差部
の断面図であり、第６図は、実施例４に於ける電子放出
素子の構成図である。第７図は、実施例２に於ける電子放出素子の構成図であ
る。第８図は、実施例３に於ける画像形成装置の構成図であ
る。第９図は、実施例４に於ける電子放出素子の断面図であ
る。 1,2,11,12,33,34……電極３……薄膜 4,15……基板 5,14,36,39……電子放出部 13,35……微粒子膜 31……絶縁性基板（石英基板） 32,37,38……電子放出部規定部材 40……金属薄膜 41……グリッド電極 42……電子通過孔 43……ガラス体 44……蛍光体 45……メタルバック 46……フェースプレート 47……蛍光体の輝点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者武田俊彦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)発明者金子哲也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)発明者小野治人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)発明者鱸英俊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 (56)参考文献特開平２−192638（ＪＰ，Ａ) 特開平１−279540（ＪＰ，Ａ) 特許2631007（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01J 1/30,9/02 H01J 29/04,31/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性基板上に、段差部を形成している金
属からなる電子放出部規定部材を有し、該電子放出部規
定部材を跨いで一対の電極と接続する導電性膜に、該電
子放出部規定部材に沿って電子放出部が形成されている
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】絶縁性基板上に、金属からなる電子放出部
規定部材による段差部を形成し、該電子放出部規定部材
を跨いで一対の電極と接続するように形成された導電性
膜に通電処理を施し、該導電性膜の該電子放出部規定部
材に沿って電子放出部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３】絶縁性基板上に請求項１に記載の電子放出
素子を複数配置したことを特徴とする電子源。
【請求項４】前記電子放出部規定部材が複数の電子放出
素子に共通して設けられていることを特徴とする請求項
３に記載の電子源。
【請求項５】請求項３又は４に記載の電子源を製造する
際に、複数の電子放出素子を請求項２に記載の方法によ
って製造することを特徴とする電子源の製造方法。
【請求項６】請求項３又は４に記載の電子源と、該電子
源から放出された電子の照射により画像を形成する画像
形成部材とを有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項７】請求項６に記載の画像形成装置を製造する
際に、電子源を請求項５に記載の方法によって製造する
ことを特徴とする画像形成装置の製造方法。