JP3154106B2 - 電子放出素子、該電子放出素子を用いた電子源並びに該電子源を用いた画像形成装置 - Google Patents

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、該
電子放出素子を用いた電子源並びに該電子源を用いた画
像形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子放出素子として熱電子源と冷
陰極電子源の２種類が知られている。冷陰極電子源には
電界放出型（以下ＦＥ型と略す）、金属／絶縁層／金属
型（以下ＭＩＭ型と略す）や表面伝導型電子放出素子等
がある。

【０００３】ＦＥ型の例としてはＷ．Ｐ．Ｄｙｋｅ＆
Ｗ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ，“Ｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏ
ｎ”，Ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）あるいはＣ．Ａ．Ｓ
ｐｉｎｄｔ，“ＰｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓ
ｉｏｎ ｃａｔｈｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｌｙｂｄｅ
ｎｉｕｍ ｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，
４７，５２４８（１９７６）等が知られている。

【０００４】ＭＩＭ型の例としてはＣ．Ａ．Ｍｅａｄ、
“Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ−Ｅｍｉｓ
ｓｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌｙ．Ｐｈｙ
ｓ．３２，６４６（１９６１）等が知られている。

【０００５】表面伝導型電子放出素子の例としては、
Ｍ．Ｉ．Ｅｌｉｎｓｏｎ、ＲａｄｉｏＥｎｇ．Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ Ｐｈｙｓ．、１０，１２９０，（１９６５）
等がある。

【０００６】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、膜面に並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．Ｄｉｔｍｍｅｒ，Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌ
ｍｓ，９，３１７（１９７２）〕、Ｉｎ₂Ｏ₃／ＳｎＯ₂
薄膜によるもの〔Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌ ａｎｄ Ｃ．
Ｇ．Ｆｏｎｓｔｅｄ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ＥＤ Ｃ
ｏｎｆ．，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（１
９８３）〕等が報告されている。

【０００７】これらの表面伝導型素子放出素子の典型的
な構成として前述のＭ．ハートウェルの素子構成を図２
１に示す。同図において１は絶縁性基板である。４は導
電性膜で、Ｈ型形状のパターンに、スパッタで形成され
た金属酸化物薄膜等からなり、後述のフォーミングと呼
ばれる通電処理により線状の電子放出部５が形成され
る。尚、図中の素子電極間隔Ｌは０．５〜１ｍｍ、Ｗは
０．１ｍｍで設定されている。

【０００８】従来、これらの表面伝導型電子放出素子に
おいては、電子放出を行う前に導電性膜４を予めフォー
ミングと呼ばれる通電処理によって電子放出部５を形成
するのが一般的であった。即ち、フォーミングとは前記
導電性膜４両端に直流電圧あるいは非常にゆっくりとし
た昇電圧例えば１Ｖ／分程度に印加通電し、導電性膜を
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を形成することである。
尚、電子放出部５は導電性膜４の一部に亀裂が発生しそ
の亀裂付近から電子放出が行われる。前記フォーミング
処理をした表面伝導型電子放出素子は、上述導電性膜４
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５より電子を放出せしめるものである。

【０００９】一方、たとえば特開平７−２３５２５５号
公報、特開平８−７７４９号公報、特開平８−１０２２
４７号公報、特開平８−２７３５２３号公報、特開平９
−１０２２６７号公報、特許第２８３６０１５号、特許
第２９０３２９５号公報等に開示されているように、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。

【００１０】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、素子に電圧を印加するこ
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、炭素あるいは炭素化合物が素子の
電子放出部およびその近傍に堆積し、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。

【００１１】図２２は、特開平７−２３５２５５号公報
に開示された電子放出素子の断面形状を示したものであ
る。同図において１、４、５は図２１と同様であり、そ
れぞれ、絶縁性基板、導電性膜、電子放出部である。
２、３は導電性膜４に電圧を印加する為の素子電極であ
り、２を低電位側電極、３を高電位側電極として電圧を
印加している。電子放出部５には、上記活性化工程を行
うことで、炭素あるいは炭素化合物６が堆積している構
造が示され、良好な電子放出特性を実現している。

【００１２】以上のような電子放出素子を複数個形成し
た電子源基板を用い、蛍光体等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できる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年の
情報の高度化に伴うマルチメディア化の急激な進展によ
り、ディスプレイ等の画像形成装置に対して、更に高い
性能が求められてきている。すなわち、表示装置の大画
面化、省電力化、高精細化、高画質化、省スペース化等
である。

【００１４】したがって、前述の電子放出素子において
は、電子放出素子を適用した画像形成装置が明るい表示
画像を安定して提供できるよう、より高い効率で安定し
た電子放出特性を更に長時間保持し続けられる技術が望
まれている。

【００１５】ここで効率とは、表面伝導型電子放出素子
の一対の対向する素子電極間に電圧を印加したとき、電
極間に流れる電流（以下、素子電流Ｉｆと呼ぶ）に対す
る真空中に放出される電流（以下、放出電流Ｉｅと呼
ぶ）との電流比をさす。

【００１６】つまり、素子電流Ｉｆはできるだけ小さ
く、放出電流Ｉｅはできるだけ大きいことが望ましい。

【００１７】高効率な電子放出特性を長時間にわたり安
定的に制御することができれば、例えば蛍光体を画像形
成部材とする画像形成装置においては、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が実現で
きる。

【００１８】しかしながら、上述のＭ．ハートウエルの
電子放出素子にあっては、安定な電子放出特性及び電子
放出効率について、必ずしも満足のゆくものが得られて
おらず、これを用いて高輝度で動作安定性に優れた画像
形成装置を提供するのは極めて難しいというのが実状で
ある。

【００１９】すなわち、このような応用に用いるために
は、実用的な電圧（たとえば１０Ｖないし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および素子電流Ｉｆが劣化しない
こと、が必要であるが、従来の表面伝導型電子放出素子
には以下のような問題点があった。

【００２０】電子放出部５は前述のようにフォーミング
により導電性膜に形成される間隙部により構成される
が、必ずしも図２１に示したような全域にわたって間隙
が一様な幅、形状で形成されるとは限らない。この様な
不均一な電子放出部形態の場合、十分な放出電流Ｉｅが
得られなかったり、駆動中の特性の変動や劣化が著しく
なる場合がある。

【００２１】一方、前述の活性化工程によれば、炭素あ
るいは炭素化合物等からなる炭素を有する膜（カーボン
膜）が導電性膜に形成された間隙内の基板上およびその
近傍の導電性膜上に堆積してより狭い間隙が形成される
（図２２）。この活性化工程により、放出電流Ｉｅおよ
び素子電流Ｉｆが増大するが、電子放出効率、寿命等の
素子特性は、活性化工程によって堆積した炭素あるいは
炭素化合物からなる炭素を有する膜（カーボン膜）の形
状、構造、安定性等によって左右される。

【００２２】特に、堆積物に形成された前述の狭い間隙
部には高電界が印加されるため、この間隙をはさんだ堆
積物間での放電と見られる現象を抑制する事が安定性に
とって重要である。

【００２３】本発明は、上記問題を鑑み、良好な電子放
出特性と高輝度な表示を長時間にわたり実現する表面伝
導型電子放出素子の構成、及びそれを用いた電子源及び
画像形成装置を提供するものである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】そこで、上記問題点を鑑
みて検討した結果、本発明は、基体と、前記基体表面上
に、第一の間隙を置いて配された第一および第二のカー
ボン膜と、前記第一および第二のカーボン膜のそれぞれ
に電気的に接続した第一および第二の電極と、を有する
電子放出素子であって、前記第一の間隙における前記第
一のカーボン膜と第二のカーボン膜との間隔の最も狭い
部分が、前記基体表面から離れて、前記基体表面より上
方に配されており、前記基体が、少なくとも、前記第一
の間隙内において、凹部を有し、該凹部に炭素を有す
る、ことを特徴とする。

【００２５】また、本発明は、基体と、前記基体表面上
に、第一の間隙を有するカーボン膜と、前記カーボン膜
に電気的に接続した第一および第二の電極と、を有する
電子放出素子であって、前記第一の間隙の最も狭い部分
が、前記基体表面から離れて、前記基体表面より上方に
配されており、前記基体が、少なくとも、前記第一の間
隙内において、凹部を有し、該凹部に炭素を有する、こ
とを特徴とする。

【００２６】

【００２７】また、本発明の電子放出素子は、前記カー
ボン膜と前記電極とを、前記基体表面上に配置した導電
性膜を介して接続してなることをも特徴とする。また、
さらには、本発明の電子放出素子は、前記基体表面に対
して垂直方向において、前記最も狭い部分が、前記導電
性膜表面よりも前記基体表面の上方の位置にあることを
も特徴とする。

【００２８】本発明は、さらに、上記第一の間隙に、１
０ｎｍ以下の幅の個所を有するため、十分な電子放出に
必要な電界を比較的小さい電圧で得ることができる。特
に１ｎｍ〜５ｎｍとすることで、印加電圧が高い場合に
生じ易い放電現象や、間隙が狭い場合に生じ易い間隙部
の変形による短絡現象を回避でき、安定な電子放出特性
を得ることができる。

【００２９】また、前記第一および第二のカーボン膜
が、前記基体表面に対して垂直方向において互いに高さ
が異なることが好ましい。この場合、高さの高い側のカ
ーボン膜が、高さの低い側のカーボン膜よりも高電位と
なるように電圧を印加することにより、電子を放出させ
ることが好ましい。

【００３０】さらに、本発明は、基体上に前記電子放出
素子を複数配列形成した電子源をも特徴とする。

【００３１】そして、また、本発明は、前記電子源と、
前記電子源から放出された電子を照射することで画像を
形成する画像形成部材とを有する画像形成装置をも特徴
とする。

【００３２】本発明の電子放出素子を用いることにより
電子放出効率が高く、電子放出特性が長時間安定な電子
放出素子を提供することができる。

【００３３】本発明の電子放出素子によれば、基体表面
に対して垂直方向において、第一の間隙を挟んで対向し
たカーボン膜の最も接近した部位が、基板および導電性
膜よりも高い位置にある。このため、電子放出素子の駆
動時に、より高い電圧が印加される側のカーボン膜また
は導電性膜あるいは素子電極に落下し吸収され素子電流
（Ｉｆ）の一部となる電子の量が減少する一方で、アノ
ード電極へ到達する電子の量（放出電流Ｉｅ）が増え
る。また、同時に、第一の間隙部に位置する基板表面に
印加される実効的な電界強度を弱めることができる。こ
のため、安定な電子放出を長時間に渡り得ることができ
る。

【００３４】さらには、少なくとも、上記第一の間隙部
内に露出した基板が凹部を有するため、その凹部の深さ
に依存して、上記第一の間隙を挟んで対向したカーボン
膜間の沿面距離がさらに増える。これにより、第一の間
隙を挟んで対向したカーボン膜間にかかる強電界に起因
するとみられる放電現象や、過剰な素子電流Ｉｆの発生
が抑制される。

【００３５】以上記した様に、本発明の電子放出素子お
よび電子源によれば、高効率で、長時間安定性の高い電
子放出特性を有する素子が得られる。また、この素子を
用いた画像形成装置においては、高効率で、長時間安定
性の高い表示が得られる。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好ましい実施形
態について述べる。

【００３７】まず、本発明にかかわる電子放出素子の基
本的な構成の一例について説明する。

【００３８】図１の（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発
明にかかわる基本的な平面型の電子放出素子の構成の一
例を示す平面図および断面図である。図２および図３の
（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図１に示した表面伝導型
電子放出素子の電子放出部５の近傍の構造を拡大して模
式的に示す平面図および、そのＡ−Ａ’での断面図であ
る。図２は、基板１表面に対する法線方向において、一
対の炭素を有する膜（カーボン膜）の高さが等しい場
合、図３は、基板１表面に対する法線方向において、一
対の炭素を有する膜（カーボン膜）の高さが互いに異な
る場合、の例である。図１、図２、図３を用いて、本発
明に係る電子放出素子の基本的な構成を説明する。

【００３９】図において、１は基板、２と３は電極（素
子電極）、４、４ａ、４ｂは導電性膜、５は電子放出
部、２１ａ、２１ｂは炭素を有する膜（カーボン膜）、
２２は基板変質部（凹部）である。

【００４０】導電性膜（４、４ａ、４ｂ）は、詳しくは
後述するが、フォーミング処理するなどして形成された
第二の間隙７を置いて対向する一対の導電性膜で構成さ
れる（図７の（ａ）参照）。なお、図では、導電性膜
（４ａ、４ｂ）は、基板表面に対して横方向に対向し、
第二の間隙７を境にして完全に分離されて模式的に示さ
れているが、一部でつながっている場合もある。つま
り、一対の電極間を電気的に繋ぐ導電性膜４の一部に第
二の間隙７が形成されている形態ということもできる。
即ち、完全に分離されていることが理想ではあるが、微
少な領域で、前記一対の導電性膜（４ａ、４ｂ）同士が
繋がっていても、充分な電子放出特性を示しさえすれば
良い。

【００４１】一方、カーボン膜（２１ａ、２１ｂ）は、
第一の間隙８内の基板上および導電性膜（４ａ、４ｂ）
上に配置される。なお、図では、カーボン膜（２１ａ、
２１ｂ）は基板表面に対して横方向に対向し、第一の間
隙８を境にして完全に分離されて模式的に示されている
が、一部でつながっている場合もある。つまり、一対の
電極間を電気的に繋ぐカーボン膜の一部に第一の間隙が
形成されている形態ということもできる。即ち、完全に
分離されていることが理想ではあるが、微少な領域で、
前記一対のカーボン膜（２１ａ、２１ｂ）同士が繋がっ
ていても、充分な電子放出特性を示しさえすれば良い。

【００４２】以上の構成により、カーボン膜（２１ａ、
２１ｂ）は電極（２、３）と電気的に接続される。な
お、図面上は、カーボン膜（２１ａ、２１ｂ）は、導電
性膜（４ａ、４ｂ）を介して電極（２、３）と接続され
ている。しかし、素子電極間距離（Ｌ）や後述する活性
化条件などによっては、カーボン膜（２１ａ、２１ｂ）
がそれぞれ、電極（２、３）上まで堆積し、電極と直接
電気的に接続することも可能である。更には、導電性膜
４を用いずに、カーボン膜（２１ａ、２１ｂ）と電極
２，３とを直接接続する構成とすることもできる。本発
明においては、必ずしも、導電性膜４を必要とはしな
い。つまり、少なくとも、基板表面上に配置されたカー
ボン膜（２１ａ，２１ｂ）と電極（２，３）とが電気的
に接続されていれば良い。

【００４３】導電性膜（４ａ、４ｂ）は、詳しくは後述
するが、非常に薄い膜であるため、製造プロセス時や駆
動時での熱などによって凝集などの熱的な構造変化や組
成変化を起こしやすい。そのため、本発明においては、
導電性膜を用いる場合には、上記カーボン膜（２１ａ、
２１ｂ）で導電性膜表面を覆って配置している。そし
て、特には電極２，３間に位置する導電性膜表面全てを
覆うことで導電性膜の熱的な構造変化などによる素子特
性の変動を抑制することが好ましい。

【００４４】また、導電性膜を用いない場合には、素子
電極間が前述の第二の間隙に相当する。本発明の電子放
出素子においては、素子を配置、支持する基体表面上
に、カーボン膜（２１ａ、２１ｂ）が配置される。

【００４５】基板１としては、石英ガラス、青板ガラ
ス、青板ガラス等にスパッタ法等により形成したＳｉＯ
₂を積層したガラス基板等が挙げられる。こように、本
発明では、基板として、ＳｉＯ₂を含んだ材料が望まし
い。ＳｉＯ₂を含む基板を用いることで、後述する活性
化工程により、基板変質部２２を持った、電子放出部５
を形成することが可能となる。

【００４６】対向する素子電極２、３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、例えばＮｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、
Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ等の金属或は合金およびＰｄ、
Ａｇ、Ａｕ、ＲｕＯ₂、Ｐｄ−Ａｇ等の金属或は金属酸
化物とガラス等から構成される印刷導体、Ｉｎ₂Ｏ₃−Ｓ
ｎＯ₂等の透明導電体及びポリシリコン等の半導体導体
材料等が挙げられる。

【００４７】素子電極間隔Ｌ、素子電極の長さＷ、およ
びその形状は、電子放出素子の応用形態等によって適宜
設計され、例えば、後述するテレビジョン等の表示装置
では、画像サイズに対応した画素サイズが設計され、と
りわけ、高品位テレビでは画素サイズが小さく高精細さ
が要求される。そのため、電子放出素子のサイズが限定
されたなかで十分な輝度を得るためには、十分な放出電
流Ｉｅが得られるように設計される。

【００４８】素子電極間隔Ｌは、数十ｎｍ〜数百μｍで
あり、素子電極の製法の基本となるフォトリソグラフィ
ー技術、すなわち、露光機の性能とエッチング方法等、
および、素子電極間に印加する電圧により設定される
が、好ましくは、数μｍ〜数十μｍである。

【００４９】素子電極の長さＷ、および、素子電極２、
３の膜厚ｄは、電極の抵抗値、配線との結線、電子放出
素子が多数配置される電子源の配置上の問題より適宜設
計され、通常は、素子電極の長さＷは、数μｍ〜数百μ
ｍであり、素子電極の膜厚ｄは、数ｎｍ〜数μｍであ
る。

【００５０】尚、図１に示した構成だけでなく、基板１
上に、導電性膜４、素子電極（２、３）の順に積層され
た構成とすることもできる。

【００５１】導電性膜４には、良好な電子放出特性を得
るために、微粒子で構成された微粒子膜を用いるのが好
ましい。その膜厚は、素子電極２、３へのステップカバ
レージ、素子電極２、３間の抵抗値および後述するフォ
ーミング条件等を考慮して適宜設定される。

【００５２】また、素子電流Ｉｆ及び放出電流Ｉｅの大
きさは、導電性膜４の幅Ｗ’に依存するので、上記素子
電極の形状と同様に、電子放出素子のサイズが限定され
たなかで十分な放出電流が得られるように設計される。

【００５３】導電性膜４の熱的安定性は電子放出特性の
寿命を支配する場合があり、導電性膜４の材料として
は、より高融点な材料を用いるのが望ましい。しかしな
がら、通常、導電性膜４の融点が高いほど後述する通電
フォーミングのためにより大きな電力が必要となる。さ
らに、その結果得られる電子放出部の形態によって、電
子放出し得る印加電圧（しきい値電圧）が上昇する等、
電子放出特性に問題が生じる場合がある。

【００５４】本発明においては、導電性膜４の材料とし
て特に高融点のものを必要とはせず、比較的小さいフォ
ーミング電力で良好な電子放出部が形成可能な材料・形
態のものを選ぶことができる。

【００５５】上記条件を満たす材料の例として、Ｎｉ、
Ａｕ、ＰｄＯ、Ｐｄ、Ｐｔ等の導電材料をＲｓ（シート
抵抗）が１０²〜１０⁷Ω／□の抵抗値を示す膜厚で形成
したものが好ましく用いられる。なおＲｓは、厚さが
ｔ、幅がｗで長さがｌの薄膜の長さ方向に測定した抵抗
Ｒを、Ｒ＝Ｒｓ（ｌ／ｗ）とおいたときに現われる値
で、抵抗率をρとすればＲｓ＝ρ／ｔである。上記抵抗
値を示す膜厚はおよそ５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲にある。
この膜厚範囲において、それぞれの材料の薄膜は微粒子
膜の形態を有していることが好ましい。

【００５６】ここで述べる微粒子膜とは、複数の微粒子
が集合した膜であり、その微細構造は、微粒子が個々に
分散配置した状態あるいは微粒子が互いに隣接、あるい
は重なり合った状態（いくつかの微粒子が集合し、全体
として島状構造を形成している場合も含む）をとってい
る。

【００５７】微粒子の粒径は、数Å〜数百ｎｍの範囲、
好ましくは、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲である。

【００５８】さらに、先に例示した材料の中でも、Ｐｄ
Ｏは、有機Ｐｄ化合物の大気中焼成により容易に薄膜形
成できること、半導体であるため比較的電気伝導度が低
く上記範囲の抵抗値Ｒｓを得るための膜厚のプロセスマ
ージンが広いこと、導電性膜４に間隙７を形成した後等
に、容易に還元して金属Ｐｄとすることができるので膜
抵抗を低減し得ること、等から好適な材料である。しか
しながら、本発明の効果はＰｄＯに限られることなく、
また、上記例示した材料に限られるものではない。

【００５９】電子放出部５は、導電性膜４の幅Ｗ’によ
ってほぼその長さが決まる。

【００６０】電子放出部５は、導電性膜４に形成された
第二の間隙７よりも狭い第一の間隙８を境に対向した炭
素を有する膜（カーボン膜）２１ａ、２１ｂ、および基
板変質部（凹部）２２で構成される（図２、図３）。

【００６１】なお、カーボン膜２１ａ、２１ｂは、主に
グラファイト状の炭素から成るが、導電性膜４（４ａ、
４ｂ）を構成する元素を含有することがある。

【００６２】本発明の特徴は、カーボン膜２１ａ、２１
ｂを分け隔てる第一の間隙８が、基体表面に対し法線
（垂直）方向において、基板表面および導電性膜表面よ
りも上方に、より狭い部位を持つことにある。

【００６３】また、本発明の特徴は、さらには、上記第
一の間隙に位置する基板表面が凹部状であることにあ
る。

【００６４】また、本発明におけるカーボン膜（２１
ａ、２１ｂ）は、導電性膜（４ａ、４ｂ）表面からの高
さＨもしくはＨａ、Ｈｂと、駆動時により高い電圧が印
加される高電位側のカーボン膜２１ｂの厚さＤによって
特徴付けられる（図２、図３）。尚、ここでは、上記
Ｈ、Ｈａ、Ｈｂを導電性膜表面からの高さとして定義し
たが、導電性膜は非常に薄い膜であるため、基板表面か
らの高さと考えて実質的に支障はない。

【００６５】図２（ｂ）では、高さＨを、便宜上、カー
ボン膜２１ａ，２１ｂの頂点と導電性膜表面との距離で
示したが、厳密には、高さＨおよびＨａ、Ｈｂは、カー
ボン膜２１ａと２１ｂの間に、カーボン膜２１ｂが高電
位となるように電位差を与えた時に、最も電界が強くな
る箇所（図中の点Ａと点Ｂ）の導電性膜表面（基板表
面）からの高さで定義される。また、Ｄは、上記点Ａと
点Ｂを結ぶ延長線で高電位側のカーボン膜２１ｂを切っ
た際に、そこに存在するカーボン膜の厚み（長さ）で定
義される。

【００６６】なお、広義には、上記最も電界が強くなる
位置（点Ａと点Ｂ）は、カーボン膜２１ａと２１ｂが最
も近接した（間隙８の距離が最も狭い）位置となる。そ
して、上記点Ａと点Ｂ間の間隔は、１０ｎｍ以下が好ま
しく、さらには１ｎｍ〜５ｎｍがより好ましい。詳しく
は後述するが、上記点Ａと点Ｂ間の間隔を１０ｎｍ以下
とすることにより、十分な電子放出に必要な電圧（Ｖ
ｆ）を比較的小さい電圧で得ることができる。さらに
は、上記点Ａと点Ｂ間の間隔を１ｎｍ〜５ｎｍとするこ
とで、印加電圧が高い場合に生じ易い放電現象や、間隙
が狭い場合に生じ易い間隙部の変形による短絡現象を回
避でき、安定な電子放出特性を得ることができる。

【００６７】さらには、本発明においては、上記した最
も強い電界が印加される上記点Ａと点Ｂが基板表面から
離れており、基板表面と接する位置でのカーボン膜２１
ａと２１ｂとの距離を、上記点Ａと点Ｂ間の距離よりも
大きくすることができる。つまり、電子放出に寄与する
位置（点Ａおよび点Ｂ）での実効的な電界強度を弱める
ことなしに、カーボン膜２１ａと２１ｂと接触する基板
表面に印加される実効的な電界強度を弱くすることがで
きる。以上の理由から、本発明の電子放出素子は、第一
の間隙に位置する基板表面での放電現象を抑制できると
ともに、安定な電子放出特性を長期に渡って維持するこ
とができる。

【００６８】本発明の電子放出素子をさらに詳しく説明
するために、初めに、図４を用いて、測定評価装置につ
いて説明する。

【００６９】図４は、図１から図３で示した構成を有す
る素子の電子放出特性を測定するための測定評価装置の
概略構成図である。図４において、１は基体、２および
３は素子電極、４は導電性膜、５は電子放出部である。
また、４１は素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電
源、４０は素子電極２、３間の導電性膜４を流れる素子
電流Ｉｆを測定するための電流計、４４は素子の電子放
出部より放出される放出電流Ｉｅを捕捉するためのアノ
ード電極、４３はアノード電極４４に電圧を印加するた
めの高圧電源、４２は素子の電子放出部５より放出され
る放出電流Ｉｅを測定するための電流計である。

【００７０】電子放出素子の上記素子電流Ｉｆ、放出電
流Ｉｅの測定にあたっては、素子電極２、３に電源４１
と電流計４０とを接続し、該電子放出素子の上方に電源
４３と電流計４２とを接続したアノード電極４４を配置
している。また、電子放出素子及びアノード電極４４は
真空装置内に設置されている。

【００７１】図４において、素子電極２、３間に、素子
電極３が高電位となるように電圧（Ｖｆ）を印加する
と、導電性膜４を通じて、図２、図３に示したカーボン
膜２１ａとカーボン膜２１ｂとの間に印加された電圧に
応じて電位差が発生する。このとき、上記したように、
カーボン膜２１ａ上の点Ａとカーボン膜２１ｂ上の点Ｂ
を中心に強い電界が発生する。この電界が、カーボン膜
２１ａからカーボン膜２１ｂへの電子のトンネリングが
十分可能な程大きい場合、カーボン膜２１ａ上の点Ａの
近傍からカーボン膜２１ｂ上の点Ｂの近傍に向かって電
子がトンネルすると考えている。

【００７２】ここで、十分なトンネリングが生じる電界
というのは、カーボン膜の仕事関数にもよるが、一般的
なカーボン材料（仕事関数４．５〜５．０ｅＶ）の場
合、概ね５×１０⁹Ｖ／ｍ程度である。これより小さい
電界では、トンネリングする電子が著しく少なくなり、
これより大きい電界では、カーボン膜２１の電界変形が
生じ易くなる。

【００７３】しかしながら、印加電圧（Ｖｆ）を高くす
ると、電子放出部の周辺の基板表面での沿面放電現象が
発生しやすくなる。特に、５０Ｖを超える電圧では、上
記の放電による素子へのダメージが無視できなくなる。
従って、５０Ｖ以下の電圧で駆動するためにはカーボン
膜２１ａと２１ｂ間の距離を１０ｎｍ以下とすることが
好ましい。さらには上記の電子放出部の周辺の基板表面
の電位上昇による電子放出の不安定性まで考慮すれば、
２５Ｖ程度以下の印加電圧が好ましく、従って、５ｎｍ
以下の間隙がより好ましい。

【００７４】一方で、上記点Ａと点Ｂとの距離が、１ｎ
ｍ以下の場合、仕事関数以下の印加電圧では事実上、ト
ンネリングは生じないので、５Ｖ以上の電圧印加が必要
となるため、５×１０⁹Ｖ／ｍ以上の電界を間隙にかけ
ることになる。この場合、上述のように、カーボン膜２
１の電界変形が生じ易くなり、間隙が狭いことにも起因
して、間隙の短絡が起こりやすくなる。これは、むだな
オーミック電流が発生するだけでなく、ラッシュカレン
トとして、電子放出部の破壊の原因にもなり得る。

【００７５】以上の理由から、第一の間隙８の幅（上記
した点Ａと点Ｂとの距離）としては、１０ｎｍ以下が好
ましく、さらには、１〜５ｎｍが最も好ましい範囲であ
る。

【００７６】上記したカーボン膜２１ａ、２１ｂの最も
間隔が狭くなっている部分が、基板１と接触する位置で
あったり、導電性膜４の厚みよりも基板１に寄った位置
である場合には、点Ａの近傍からトンネリングした電子
は、カーボン膜２１ｂの点Ｂの近傍で一部散乱され、残
りの部分はカーボン膜２１ｂ中に進入し、さらに導電性
膜４ｂ、素子電極３へと流れて行き、電流計４０によっ
て素子電流Ｉｆとして観測されると考えられる。

【００７７】しかしながら、本発明においては、カーボ
ン膜２１ｂの厚さＤが薄く形成されているために、進入
した電子の一部がカーボン膜２１ｂを透過して真空中に
放出されると考えられる。

【００７８】また、カーボン膜２１ｂの点Ｂの近傍で一
部散乱された電子には、再度導電性膜４ｂに進入して素
子電流Ｉｆの一部になるものと、真空中を飛行してアノ
ード電極４４に捕捉され、放出電流Ｉｅとして観測され
るものとがあると推測される。

【００７９】カーボン膜２１ｂを透過する電子の透過率
Ｔｅは、以下の式（１）で表すことができる。

【００８０】 Ｔｅ＝ｅｘｐ（−Ｄ／Ｌａ） …式（１） ここで、Ｌａはカーボン膜２１ｂ中における電子の減衰
長である。

【００８１】１０ｅＶから２０ｅＶのエネルギーの電子
の物質（金属）中の減衰長は、およそ３〜１０原子層で
あることが知られている。従って、例えば、カーボン膜
２１ｂを構成する炭素のｄ００２面間隔が０．３８ｎｍ
で、電子の入射方向と炭素のｃ軸が一致する場合、電子
の減衰長は１〜４ｎｍ程度となる。

【００８２】カーボン膜２１ｂを透過する電子の透過率
Ｔｅが、例えば、０．１％となる場合を考えると、式
（１）に、Ｔｅ＝０．００１、Ｌａ＝４を代入して、Ｄ
＝２８ｎｍとなる。

【００８３】本発明において、カーボン膜２１ｂを透過
する電子の透過率Ｔｅを０．１％とすれば、すなわち、
カーボン膜２１ｂの厚さＤを上記の値程度とすれば、従
来の電子放出素子に比べ、電子放出効率の向上に大きな
効果がある。

【００８４】実際には、物質中の電子密度が小さい（半
導体や絶縁体）場合、電子の減衰長Ｌａは、上述の値よ
りも長くなることが知られており、上記Ｄは、カーボン
膜２１ｂを構成するグラファイト状炭素の配向や面間
隔、キャリア濃度によって異なるため、厳密にこの値に
限られるものではなく、好ましくは、１００ｎｍ以下で
あり、更には３０ｎｍ以下がより好ましい。尚、上記Ｄ
の値は、小さければ小さいほど電子透過の効果は大きい
が、余り薄いとカーボン膜２１ｂが高くなった部分での
抵抗が他の部分に比べて高くなり、上記点Ａと点Ｂ間に
十分な電界がかからなくなる。さらに、構造的な強度を
保つのに厚さを必要とするため、上記Ｄは、カーボン膜
２１ｂの高さＨの少なくとも１／１０以上の厚さを有す
るのが好ましく、１０ｎｍ以上の厚さを有するのがより
好ましい。

【００８５】さらには、また、カーボン膜２１ｂを透過
した電子も、散乱電子と同様に再度導電性膜４ｂに進入
して素子電流Ｉｆの一部になるものと、真空中を飛行し
てアノード電極４４に捕捉され、放出電流Ｉｅとして観
測されるものとがあると考えられる。そこで、特に、カ
ーボン膜２１ａ、２１ｂの高さ関係を、図３の（ｂ）に
示したように、 Ｈｂ＞Ｈａ …式（２） とすることが好ましい。この様に形成した場合に、高さ
の高い方のカーボン膜２１ｂを高電位側となるように電
圧を印加すると、カーボン膜２１ｂを透過した電子は導
電性膜４ｂの表面より上向きの（すなわちアノード電極
４４へ向かう）成分をもって放出される。このため、上
記した導電性膜４ｂに進入する割合を小さくできるの
で、さらに効率の良い、安定な電子放出特性を得ること
ができる。

【００８６】本発明は、さらに、上記第一の間隙８に位
置する基板表面に変質部（凹部）を配置している。この
ように、第一の間隙８に位置する基板表面に凹部を形成
することで、基板表面に接しているカーボン膜２１ａと
２１ｂ間の沿面距離をさらに増やすことができる。この
結果、前記した、非常に狭い第一の間隙８に強電界が印
加されることに起因する、基板表面での沿面放電現象を
いっそう抑制することができる。

【００８７】また、本発明においては、さらに、前記凹
部表面に炭素が配置される。上記凹部は、言わば、電子
放出部の中心に位置する。このため、上記凹部表面は、
常に電子に照射されることになる。このため、凹部表面
に炭素を配置することで、基板凹部表面の帯電を抑制す
ることができる。その結果、基板表面での沿面放電現象
をさらに抑制することができるとともに、より安定な電
子放出特性を得ることができる。

【００８８】本発明では、一対の炭素を有する膜（カー
ボン膜）２１ａ、２１ｂ、および基板の形状を、以上述
べた構成としたため、効率に優れ、安定な電子放出特性
を長期に渡って得ることができる。

【００８９】以上説明した本発明の電子放出素子の製造
方法としては様々な方法が考えられるが、その一例を図
５、図７を用いて説明する。以下、順をおって本発明の
製造方法を図１、図２および図５、図７に基づいて説明
する。

【００９０】１）基板１を洗剤、純水および有機溶剤に
より十分に洗浄後、素子電極材料を、真空蒸着法、スパ
ッタ法等により堆積後、フォトリソグラフィー技術によ
り素子電極２、３を形成する（図５（ａ））。

【００９１】尚、前述した様に、導電性膜４を用いず
に、炭素を有する膜（カーボン膜）２１を電極２，３に
接続して配置する場合には、例えばＦＩＢ法などを用い
て、電極２，３間の間隔を、後述するフォーミング工程
で形成する第２の間隙７程度に設定すれば良く、その場
合には、以下の２）および３）の工程を省くことができ
る。従って、本発明においては、必ずしも、導電性膜４
を必要とはしない。つまり、少なくとも、カーボン膜
（２１ａ，２１ｂ）と電極（２，３）とが電気的に接続
されていれば良い。なお、この様に、導電性膜４を省い
た構成とした場合には、前述の第二の間隙７は、電極
（２，３）の間隔（Ｌ）に相当する。しかしながら、低
コストに本発明の素子を作成するためには、上記導電性
膜４を用いることが好ましい。

【００９２】２）基板１上に設けられた素子電極２と素
子電極３との間に、有機金属溶液を塗布して乾燥するこ
とにより、有機金属膜を形成する。なお、有機金属溶液
とは、前記導電性膜材料のＰｄ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ等の
金属を主元素とする有機金属化合物の溶液である。この
後、有機金属膜を加熱焼成処理し、リフトオフ、エッチ
ング等によりパターニングし、導電性膜４を形成する
（図５（ｂ））。なお、ここでは、有機金属溶液の塗布
法により説明したが、導電性膜４の形成法はこれに限ら
れるものではなく、真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ
法、分散塗布法、ディッピング法、スピンナー法、イン
クジェット法等によって形成される場合もある。

【００９３】３）つづいて、フォーミングと呼ばれる通
電処理を、素子電極２、３間に電圧を不図示の電源によ
りパルス状電圧あるいは、昇電圧の印加により行うと、
導電性膜４の一部に第二の間隙７が形成され、間隙７を
挟んで、基板表面に対して横方向に、導電性膜４ａ、４
ｂが対向配置される（図５（ｃ））。なお、第二の間隙
７はその一部でつながっている場合もある。

【００９４】フォーミング処理以降の電気的処理は、例
えば、前述した図４に示す測定評価装置内で行う。

【００９５】なお、図４に示した測定評価装置は真空装
置であるが、該真空装置には不図示の排気ポンプ及び真
空計等の真空装置に必要な機器が具備されており、所望
の真空下で素子の測定評価を行えるようになっている。
なお、排気ポンプは、オイルを使用しない、磁気浮上タ
ーボポンプ、ドライポンプ等の高真空装置系と更に、イ
オンポンプからなる超高真空装置系からなる。また、本
測定装置には、不図示のガス導入装置が付設してあり、
所望の有機物質の蒸気を所望の圧力で真空装置内に導入
することができる。また、真空装置全体、及び電子放出
素子は、不図示のヒーターにより加熱できる。

【００９６】フォーミング処理は、パルス波高値が定電
圧のパルスを印加する場合と、パルス波高値を増加させ
ながら、電圧パルスを印加する場合とがある。まず、パ
ルス波高値が定電圧のパルスを印加する場合の電圧波形
を図６の（ａ）に示す。

【００９７】図６の（ａ）中、Ｔ１及びＴ２は電圧波形
のパルス幅とパルス間隔であり、Ｔ ₁を１μｓｅｃ〜１
０ｍｓｅｃ、Ｔ₂を１０μｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃと
し、三角波の波高値（フォーミング時のピーク電圧）は
適宜選択する。

【００９８】次に、パルス波高値を増加させながら、電
圧パルスを印加する場合の電圧波形を図６の（ｂ）に示
す。

【００９９】図６の（ｂ）中、Ｔ₁及びＴ₂は電圧波形の
パルス幅とパルス間隔であり、Ｔ₁を１μｓｅｃ〜１０
ｍｓｅｃ、Ｔ₂を１０μｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃとし、
三角波の波高値（フォーミング時のピーク電圧）は、例
えば０．１Ｖステップ程度ずつ、増加させる。

【０１００】なお、フォーミング処理の終了は、フォー
ミング用パルスの間に、導電性膜４を局所的に破壊、変
形しない程度の電圧、例えば０．１Ｖ程度のパルス電圧
を挿入して素子電流を測定し、抵抗値を求め、例えばフ
ォーミング処理前の抵抗の１０００倍以上の抵抗を示し
た時、フォーミングを終了とした。

【０１０１】以上説明した間隙７を形成する際に、素子
の電極間に三角波パルスを印加してフォーミング処理を
行っているが、素子の電極間に印加する波形は三角波に
限定することはなく、矩形波など所望の波形を用いても
よく、その波高値及びパルス幅、パルス間隔等について
も上述の値に限ることなく、間隙７が良好に形成される
ように、電子放出素子の抵抗値等にあわせて、適当な値
を選択する。

【０１０２】４）次に、フォーミングが終了した素子に
活性化処理を施す。活性化処理は、図４に示した真空装
置内に有機物質のガスを導入し、有機分子を含有する雰
囲気下で、素子の電極間に電圧を印加することで行い、
この処理により、基板の変質を伴って、雰囲気中に存在
する有機物質から、炭素を有する膜（カーボン膜）が素
子上に堆積し、素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、著しく
変化するようになる。

【０１０３】本発明においては、活性化処理によって形
成される、カーボン膜の形状を図２、図３に示したよう
に、制御良く形成する必要がある。カーボン膜の形状
は、素子に印加する電圧波形、導入する有機物質の圧
力、素子表面における拡散移動度、素子表面での平均滞
在時間等によって左右される。また、真空装置への導入
のし易さ、活性化後の排気のし易さ等の取り扱いの容易
性も重要である。以上の観点から、種々の有機物質を検
討した結果、特にトルニトリル（シアン化トルエン）、
あるいはアクリロニトリルを用いた場合、良好な制御性
を有することがわかった。

【０１０４】以下に、活性化処理における、カーボン膜
の形成過程を、図７、図８、図９を用いて説明する。図
７において、１は基板、２、３は素子電極、４ａ、４ｂ
は導電性膜、７は導電性膜（４ａ、４ｂ）間の第二の間
隙、２１ａ、２１ｂはカーボン膜、２２は基板変質部
（凹部）である。

【０１０５】図８の（ａ）、（ｂ）には本発明に好適に
用いることができる、活性化中の素子電極に対する電圧
印加の一例を示した。印加する最大電圧値は、１０〜２
０Ｖの範囲で適宜選択する。図８の（ａ）中、Ｔ₁は、
電圧波形の正と負のパルス幅、Ｔ２はパルス間隔であ
り、電圧値は正負の絶対値が等しく設定されている。ま
た、図８の（ｂ）中、Ｔ₁およびＴ₁’はそれぞれ、電圧
波形の正と負のパルス幅、Ｔ₂はパルス間隔であり、Ｔ₁
＞Ｔ₁’、電圧値は正負の絶対値が等しく設定されてい
る。

【０１０６】図７（ａ）は、活性化処理前の電子放出素
子の電子放出部近傍を模式的に示したものである。な
お、素子は、一度１０^-6Ｐａ台の圧力に減圧した真空装
置内に配置した。その後、トルニトリルあるいはアクリ
ロニトリルのガスを導入する（図４）。導入するトルニ
トリルの好適な圧力は、真空装置の形状や真空装置に使
用している部材等によって若干影響されるが、１×１０
^-5Ｐａ〜１×１０^-3Ｐａ程度である。１×１０^-5Ｐａ以
下の圧力では、活性化の進行が著しく遅くなり、残留し
ている他のガスの組成、分圧によっては活性化が十分に
進行しない場合もある。一方、１×１０^-3Ｐａ以上の圧
力では、活性化の進行が著しく速くなり、所望の堆積物
の形状を再現良く形成することが難しくなる。好適な導
入分圧の範囲はその温度における有機物質の飽和蒸気圧
によって異なり、アクリロニトリルの場合は、１×１０
^-3Ｐａ〜１×１０^-1Ｐａ程度である。

【０１０７】活性化工程において、図８に示した電圧
を、素子電極２、３間に印加する。これによりカーボン
膜が第二の間隙７内及びその近傍の導電性膜４ａ、４ｂ
上に堆積し始める（図７（ｂ））。この過程において、
カーボン膜２１ａ、２１ｂは、紙面と垂直方向にも同時
に堆積する。

【０１０８】さらに、活性化処理を続けると、基板の変
質（後述する掘れ）を伴って、カーボン膜の形成が進行
していき導電性膜表面より上方に成長していく（図７
（ｃ））。そして、最終的に図７（ｄ）に示された形態
になった時点で活性化処理を終了する。

【０１０９】上記活性化工程中に素子電極２、３間を流
れる電流（素子電流Ｉｆ）の様子を表したのが、図９で
ある。

【０１１０】図９中、領域Ｉにおけるカーボン膜の形成
過程の様子を示したのが、図７の（ａ）、（ｂ）であ
る。また、領域ＩＩにおける炭素を有する膜の堆積の様
子を示したのが、図７の（ｃ）、（ｄ）である。

【０１１１】素子電流の上昇が緩やかになる領域ＩＩに
入ると基板の変質である基板の掘れと共に、カーボン膜
２１ａ、２１ｂの基板表面から上方に向かった形成が進
行する。従って、活性化工程の終了を素子電流を測定し
ながら決定する場合には、上記領域ＩＩに入ったことを
確認した上で、活性化工程を終了する。

【０１１２】なお、図２（ｂ）、図７（ｄ）に示した様
な、基板表面からの高さがほぼ等しいカーボン膜２１
ａ、２１ｂは、図８（ａ）に示したような波形の電圧を
印加することで形成することができる。

【０１１３】この様に、活性化工程中にパルス幅および
波高値の等しい両極性の電位を印加する工程を行うこと
で、カーボン膜２１ａ、２１ｂを構成する炭素の質を同
程度のものにすることができるので、電子放出素子の駆
動時に、高温にさらされるカーボン膜２１ａ、２１ｂの
どちらか一方の優先的な変質や消失を抑制でき、その結
果電子放出特性をより安定にすることができる。

【０１１４】一方、活性化工程中に、図８（ｂ）に示し
た様な電圧を素子電極３の電位が正となるように印加し
た場合には、図３（ｂ）に示したようなカーボン膜２１
ａ、２１ｂの基板表面からの高さが、素子電極３に電気
的に接続している２１ｂの方が高くなる非対称の構造を
作ることができる。

【０１１５】また、基板の変質（掘れ）については、次
のように考えている。

【０１１６】炭素の近くにＳｉＯ₂（基板の材料）が存
在する条件下で温度上昇するとＳｉが消費される。

【０１１７】ＳｉＯ₂＋Ｃ→ＳｉＯ↑＋ＣＯ↑ この様な反応が起こることによって基板中のＳｉが消費
され、基板がえぐれた（凹部）形状を有するのではない
かと考える。

【０１１８】また、さらに、凹部２２に炭素を配置する
には、図８に示した電圧波形に代えて、図２３に示した
ＤＣ的な電圧を印加することが好ましい。図２３示した
ように、活性化工程において一番最初に印加する電圧
は、活性化工程で印加する最大電圧よりも低く、前記し
たフォーミング電圧よりも高いことが好ましい。また、
図７に示した活性化工程中、図２３に示した電圧を素子
電極３が正になる様に、素子電極３にのみ印加した場合
には、図３（ｂ）に示した様に、カーボン膜２１ａ，２
１ｂの基板表面からの高さが、２１ｂの方が高くなる非
対称の構造を作る事ができる。一方、図７（ｄ）に示し
た様に、カーボン膜２１ａ，２１ｂの基板表面からの高
さを揃えるには、一端、図２３に示した波形の電位を素
子電極３の電位が正になるようにして印加した後に、逆
に、素子電極３の電位が負になる様に電圧を印加するこ
とで形成することができる。この様に、活性化工程中に
極性を反転させた電位を印加する工程を行うことで、カ
ーボン膜２１ａ，２１ｂを構成する炭素の質を同程度の
ものにすることができるので、電子放出素子の駆動時
に、高温にさらされるカーボン膜２１ａ，２１ｂのどち
らか一方の優先的な変質や消失を抑制でき、その結果電
子放出特性をより安定にすることができる。図２３に示
した様なＤＣ的な電圧を印加した場合のカーボン膜の成
長の様子は、基本的には、図７に示したものと同様であ
る。尚、図２３に示した波形の電圧を印加することでカ
ーボン膜を形成する際に、活性化工程の終了を素子電流
を測定しながら決定する場合には、活性化時に素子電極
に印加する電圧が一定電圧（図２３のｃｏｎｓｔ電圧）
の領域に入った後に、素子電流が上記図９の領域ＩＩに
入ったことを確認した上で、活性化工程を終了する。

【０１１９】次に、本発明における炭素を有する膜であ
るカーボン膜２１ａ、２１ｂの炭素について説明する。

【０１２０】本発明におけるグラファイト状炭素とは、
完全なグラファイトの結晶構造を有するもの（いわゆる
ＨＯＰＧ）、結晶粒が２０ｎｍ程度で結晶構造がやや乱
れたもの（ＰＧ）、結晶粒が２ｎｍ程度になり結晶構造
の乱れがさらに大きくなったもの（ＧＣ）、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
ンと前記グラファイトの微結晶の混合物を指す）を包含
する。すなわち、グラファイト粒子間の粒界などの層の
乱れが存在していても好ましく用いることができる。

【０１２１】５）こうして作製した電子放出素子に、好
ましくは、安定化工程を行う。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。真空容器内の有機物
質は極力排除することが望ましいが、有機物質の分圧と
しては１〜３×１０^-8Ｐａ以下が好ましい。また、他の
ガスをも含めた圧力は、１〜３×１０^-6Ｐａ以下が好ま
しく、さらに１×１０^-7Ｐａ以下が特に好ましい。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。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を挙げることができ
る。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。このときの加熱条
件は、１５０〜３５０℃、好ましくは２００℃以上でで
きるだけ長時間行うのが望ましいが、特にこの条件に限
るものではなく、真空容器の大きさや形状、電子放出素
子の配置などの諸条件により適宜選ばれる条件により行
う。

【０１２２】安定化工程を行った後の、駆動時の雰囲気
は、上記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、有機物質が十分除去
されていれば、圧力自体は多少上昇しても十分安定な特
性を維持することができる。

【０１２３】このような真空雰囲気を採用することによ
り、新たな炭素あるいは炭素化合物の堆積を抑制できる
ので本発明の炭素を有する膜の形状が維持され、結果と
して素子電流Ｉｆ，放出電流Ｉｅが安定する。

【０１２４】上述のようにして作製された本発明に係る
電子放出素子の基本特性について、図４、図１０を用い
て説明する。

【０１２５】図４に示した測定評価装置により測定され
た、安定化処理後の素子の放出電流Ｉｅ及び素子電流Ｉ
ｆと素子電圧Ｖｆの関係の典型的な例を図１０に示す。
なお、図１０は、放出電流Ｉｅは素子電流Ｉｆに比べて
著しく小さいので、任意単位で示されている。図１０か
らも明らかなように、本電子放出素子は放出電流Ｉｅに
対する３つの性質を有する。

【０１２６】まず第１に、本素子はある電圧（しきい値
電圧と呼ぶ；図１０中のＶｔｈ）以上の素子電圧を印加
すると急激に放出電流Ｉｅが増加し、一方しきい値電圧
Ｖｔｈ以下では放出電流Ｉｅがほとんど検出されない。
すなわち、放出電流Ｉｅに対する明確なしきい値電圧Ｖ
ｔｈを持った非線形素子である。

【０１２７】第２に、放出電流Ｉｅが素子電圧Ｖｆに依
存するため、放出電流Ｉｅは素子電圧Ｖｆで制御でき
る。

【０１２８】第３に、アノード電極４４に捕捉される放
出電荷は、素子電圧Ｖｆを印加する時間に依存する。つ
まり、アノード電極４４に捕捉される電荷量は、素子電
圧Ｖｆを印加する時間により制御できる。

【０１２９】以上のような電子放出素子の特性を用いる
と、入力信号に応じて電子放出特性を容易に制御できる
ことになる。さらに、本発明に係る電子放出素子は、安
定かつ高輝度な電子放出特性を有するため、多方面への
応用が期待できる。

【０１３０】本発明の電子放出素子の応用例について以
下に述べる。

【０１３１】本発明による電子放出素子の複数個を基板
上に配列し、例えば電子源あるいは、画像形成装置を構
成できる。

【０１３２】基板上の素子の配列については、例えば、
多数の電子放出素子を並列に配置し、個々の素子の両端
を配線にて接続した、電子放出素子の行を多数配列し
（行方向と呼ぶ）、この配線と直交する方向（列方向と
呼ぶ）に、該電子源の上方の空間に設置された制御電極
（グリッドと呼ぶ）により電子を制御駆動する配列形態
（はしご型という）、及び次に述べるｍ本のＸ方向配線
の上に、ｎ本のＹ方向配線を層間絶縁層を介して設置
し、表面伝導型電子放出素子の一対の素子電極にそれぞ
れ、Ｘ方向配線、Ｙ方向配線を接続した配列形態が挙げ
られる。以降これを単純マトリクス配置と呼ぶ。

【０１３３】次に、この単純マトリクス配置について詳
述する。

【０１３４】本発明にかかわる表面伝導型電子放出素子
の前述した３つの基本的特性の特徴によれば、表面伝導
型電子放出素子からの放出電子は、しきい値電圧以上で
は、対向する素子電極間に印加するパルス状電圧の波高
値と幅で制御できる。一方、しきい値電圧以下では、殆
ど放出されない。この特性によれば、多数の電子放出素
子を配置した場合でも、個々の素子に、上記パルス状電
圧を適宜印加すれば、入力信号に応じて、表面伝導型電
子放出素子を選択し、その電子放出量が制御できること
となる。

【０１３５】以下、この原理に基づき構成した電子源基
板の構成について、図１１を用いて説明する。

【０１３６】ｍ本のＸ方向配線７２は、Ｄｘ１，Ｄｘ
２，……，Ｄｘｍからなり、絶縁性基板７１上に、真空
蒸着法、印刷法、スパッタ法等で形成し、所望のパター
ンとした導電性金属等からなり、多数の表面伝導型電子
放出素子にほぼ均等な電圧が供給される様に、材料、膜
厚、配線幅が設定される。Ｙ方向配線７３は、Ｄｙ１，
Ｄｙ２，…，Ｄｙｎのｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線
７２と同様に、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等で形
成し、所望のパターンとした導電性金属等からなり、多
数の表面伝導型電子放出素子にほぼ均等な電圧が供給さ
れる様に、材料、膜厚、配線幅が設定される。これらｍ
本のＸ方向配線７２とｎ本のＹ方向配線７３との間に
は、不図示の層間絶縁層が設置され、電気的に分離され
て、マトリクス配線を構成する（このｍ、ｎは、共に正
の整数）。

【０１３７】不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷
法、スパッタ法等で形成されたＳｉＯ₂等であり、Ｘ方
向配線７２を形成した絶縁性基板７１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７２とＹ
方向配線７３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。Ｘ方向配線７２とＹ
方向配線７３は、それぞれ外部端子として引き出されて
いる。

【０１３８】さらに、前述と同様にして、表面伝導型電
子放出素子７４の対向する素子電極（不図示）が、ｍ本
のＸ方向配線７２（Ｄｘ１，Ｄｘ２，……，Ｄｘｍ）と
ｎ本のＹ方向配線７３（Ｄｙ１，Ｄｙ２，……，Ｄｙ
ｎ）と、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等で形成され
た導電性金属等からなる結線７５によって電気的に接続
されているものである。

【０１３９】ここで、ｍ本のＸ方向配線７２とｎ本のＹ
方向配線７３と結線７５と対向する素子電極の導電性金
属は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であって
も、また夫々異なってもよい。これらの材料は、例えば
前述の素子電極の材料より適宜選択される。

【０１４０】また、詳しくは後述するが、前記Ｘ方向配
線７２には、Ｘ方向に配列する表面伝導型電子放出素子
７４の行を、入力信号に応じて走査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電気的に接続さ
れ、一方、Ｙ方向配線７３には、Ｙ方向に配列する表面
伝導型電子放出素子７４の各列を、入力信号に応じて変
調するための変調信号を印加する不図示の変調信号発生
手段が電気的に接続される。

【０１４１】更に、表面伝導型電子放出素子の各素子に
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ものである。

【０１４２】次に、上記のような単純マトリクス配置の
電子源基板を用いた電子源、及び、表示等に用いる画像
形成装置の一例について、図１２と図１３を用いて説明
する。図１２は画像形成装置の基本構成図であり、図１
３は蛍光膜である。

【０１４３】図１２において、７１は電子放出素子を複
数配した電子源基板、８１は電子源基板７１を固定した
リアプレート、８６はガラス基板８３の内面に蛍光膜８
４とメタルバック８５等が形成されたフェースプレート
である。８２は支持枠であり、リアプレート８１、支持
枠８２及びフェースプレート８６をフリットガラスを塗
布し、大気中あるいは、窒素中で、４００〜５００℃
で、１０分以上焼成することで、封着して、外囲器８８
を構成する。

【０１４４】図１２において、７４は、図１あるいは図
２、図３に示された表面伝導型電子放出素子に相当す
る。７２、７３は、表面伝導型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。
また、これら素子電極への配線は、素子電極と配線材料
が同一である場合は、素子電極と呼ぶ場合もある。

【０１４５】外囲器８８は、上述の如く、フェースプレ
ート８６、支持枠８２、リアプレート８１で構成した
が、リアプレート８１は主に基板７１の強度を補強する
目的で設けられるため、基板７１自体で十分な強度を持
つ場合は別体のリアプレート８１は不要であり、基板７
１に直接支持枠８２を封着し、フェースプレート８６、
支持枠８２及び基板７１で外囲器８８を構成してもよ
い。

【０１４６】一方、フェースプレート８６、リアプレー
ト８１間に、スペーサーと呼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つ外
囲器８８を構成することもできる。

【０１４７】図１３は、蛍光膜である。蛍光膜８４は、
モノクロームの場合は蛍光体のみから成るが、カラーの
蛍光膜の場合は、蛍光体の配列によりブラックストライ
プ（図１３（ａ））あるいはブラックマトリクス（図１
３（ｂ））等と呼ばれる黒色導電材９１と蛍光体９２と
で構成される。ブラックストライプ、ブラックマトリク
スが設けられる目的は、カラー表示の場合必要となる３
原色蛍光体の各蛍光体９２間の塗り分け部を黒くするこ
とで混色等を目立たなくすることと、蛍光膜８４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。黒色導電材９１の材料としては、通常良く用いら
れている黒鉛を主成分とする材料だけでなく、導電性が
あり、光の透過及び反射が少ない材料であればこれに限
るものではない。

【０１４８】ガラス基板８３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
が用いられる。

【０１４９】また、蛍光膜８４の内面側には、通常メタ
ルバック８５が設けられる。メタルバックの目的は、蛍
光体の発光のうち内面側への光をフェースプレート８６
側へ鏡面反射す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
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Ａ
ｌを真空蒸着等で堆積することで作製できる。

【０１５０】フェースプレート８６には、更に蛍光膜８
４の導電性を高めるため、蛍光膜８４の外面側に透明電
極（不図示）を設けてもよい。

【０１５１】前述の封着を行う際、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なくてはいけないた
め、十分な位置合わせを行う必要がある。

【０１５２】外囲器８８は、不図示の排気管を通じ、
１．３×１０^-5Ｐａ程度の真空度にした後、封止が行わ
れる。また、外囲器８８の封止後の真空度を維持するた
めに、ゲッター処理を行う場合もある。これは、外囲器
８８の封止を行う直前あるいは封止後に、抵抗加熱ある
いは高周波加熱等の加熱法により、外囲器８８内の所定
の位置に配置されたゲッター（不図示）を加熱し、蒸着
膜を形成する処理である。ゲッターは通常Ｂａ等が主成
分であり、該蒸着膜の吸着作用により、例えば１．３×
１０^-3Ｐａないしは１．３×１０^-5Ｐａの真空度を維持
するものである。

【０１５３】以上により完成した本発明の画像表示装置
において、各電子放出素子には、容器外端子Ｄｏｘ１〜
Ｄｏｘｍ、Ｄｏｙ１〜Ｄｏｙｎを通じ、電圧を印加する
ことにより、電子放出させ、高圧端子８７を通じ、メタ
ルバック８５あるいは透明電極（不図示）に数ｋＶ以上
の高圧を印加し、電子ビームを加速し、蛍光膜８４に衝
突させ、励起・発光させることで画像を表示するもので
ある。

【０１５４】なお、以上述べた構成は、表示等に用いら
れる好適な画像形成装置を作製する上で必要な概略構成
であり、例えば各部材の材料等、詳細な部分は上述内容
に限られるものではなく、画像形成装置の用途に適する
よう適宜選択する。

【０１５５】次に、単純マトリクス配置の電子源を用い
て構成した表示パネルに、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に
基づいたテレビジョン表示を行う為の駆動回路の構成例
について、図１４を用いて説明する。

【０１５６】図１４は、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応
じて表示を行うための駆動回路の一例を示すブロック図
であり、図１４中、１０１は表示パネルであり、前述の
外囲器８８に相当する、１０２は走査信号発生回路、１
０３はタイミング制御回路、１０４はシフトレジスタ、
１０５はラインメモリ、１０６は同期信号分離回路、１
０７は変調信号発生回路、Ｖｘ及びＶａは直流電圧源で
ある。

【０１５７】表示パネル１０１は、端子Ｄｏｘ１乃至Ｄ
ｏｘｍ、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎ及び高圧端子８７を
介して外部の電気回路と接続している。端子Ｄｏｘ１乃
至Ｄｏｘｍには、表示パネル１０１内に設けられている
電子源、即ち、ｍ行ｎ列の行列状にマトリクス配線され
た表面伝導型電子放出素子群を１行（ｎ素子）ずつ順次
駆動する為の走査信号が印加される。端子Ｄｏｙ１乃至
Ｄｏｙｎには、前記走査信号により選択された１行の表
面伝導型電子放出素子の各素子の出力電子ビームを制御
する為の変調信号が印加される。高圧端子８７には、直
流電圧源Ｖａより、例えば１０ｋＶの直流電圧が供給さ
れるが、これは電子放出素子から放出される電子ビーム
に、蛍光体を励起するのに十分なエネルギーを付与する
為の加速電圧である。

【０１５８】走査信号発生回路１０２は、内部にｍ個の
スイッチング素子（図中、Ｓ１乃至Ｓｍで模式的に示し
ている）を備えたものである。各スイッチング素子は、
直流電圧電源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１０１の端
子Ｄｏｘ１乃至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１０３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。

【０１５９】直流電圧源Ｖｘは、本例の場合には表面伝
導型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るような一定電圧を出力す
るよう設定されている。

【０１６０】タイミング制御回路１０３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われるよう
に、各部の動作を整合させる機能を有する。タイミング
制御回路１０３は、同期信号分離回路１０６より送られ
る同期信号Ｔｓｙｎｃに基づいて、各部に対してＴｓｃ
ａｎ、ＴｓｆｔおよびＴｍｒｙの各制御信号を発生す
る。

【０１６１】同期信号分離回路１０６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ための回路で、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１０６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Ｔｓｙｎｃ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１０４
に入力される。

【０１６２】シフトレジスタ１０４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、前記タ
イミング制御回路１０３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１０４のシフトクロックであると言い換えて
もよい。）。シリアル／パラレル変換された画像１ライ
ン分のデータ（電子放出素子ｎ素子分の駆動データに相
当）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１０４より出力される。

【０１６３】ラインメモリ１０５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為の記憶装置であ
り、タイミング制御回路１０３より送られる制御信号Ｔ
ｍｒｙ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１０７に入力される。

【０１６４】変調信号発生器１０７は、画像データＩ
ｄ’１乃至Ｉｄ’ｎの各々に応じて、電子放出素子の各
々を適切に駆動変調する為の信号源であり、その出力信
号は、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを通じて表示パネル１
０１内の表面伝導型電子放出素子に印加される。

【０１６５】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に関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以上の電圧が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、
例えば電子放出しきい値電圧以下の電圧を印加しても電
子放出は生じないが、電子放出しきい値電圧以上の電圧
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Ｖｍを変化させることにより、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。従っ
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、電圧変調方式とパルス幅変調方式等が採用でき
る。

【０１６６】電圧変調方式を実施するに際しては、変調
信号発生器１０７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。

【０１６７】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１０７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。

【０１６８】シフトレジスタ１０４やラインメモリ１０
５は、デジタル信号式のものでもアナログ信号式のもの
でも採用できる。画像信号のシリアル／パラレル変換や
記憶が所定の速度で行なわれれば良いからである。

【０１６９】デジタル信号式を用いる場合には、同期信
号分離回路１０６の出力信号ＤＡＴＡをデジタル信号化
する必要があるが、これには同期信号分離回路１０６の
出力部にＡ／Ｄ変換器を設ければ良い。これに関連して
ラインメモリ１０５の出力信号がデジタル信号かアナロ
グ信号かにより、変調信号発生器１０７に用いられる回
路が若干異なったものとなる。即ち、デジタル信号を用
いた電圧変調方式の場合、変調信号発生器１０７には、
例えばＤ／Ａ変換回路を用い、必要に応じて増幅回路等
を付加する。パルス幅変調方式の場合、変調信号発生器
１０７には、例えば高速の発振器及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）を組み合わせた回路を用いる。必要に応じて、比較
器の出力するパルス幅変調された変調信号を電子放出素
子の駆動電圧にまで電圧増幅するための増幅器を付加す
ることもできる。

【０１７０】アナログ信号を用いた電圧変調方式の場
合、変調信号発生器１０７には、例えばオペアンプ等を
用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシフト
回路等を付加することもできる。パルス幅変調方式の場
合には、例えば電圧制御型発振回路（ＶＣＯ）を採用で
き、必要に応じて電子放出素子の駆動電圧にまで電圧増
幅するための増幅器を付加することもできる。

【０１７１】このような構成をとり得る本発明を適用可
能な画像形成装置においては、各電子放出素子に、容器
外端子Ｄｏｘ１乃至Ｄｏｘｍ、Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを
介して電圧を印加することにより、電子放出が生じる。
高圧端子８７を介してメタルバック８５、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８４に衝突し、発光が生
じて画像が形成される。

【０１７２】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方式等の他、
これら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。

【０１７３】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。

【０１７４】

【実施例】以下に、実施例を挙げて、本発明をさらに詳
述する。

【０１７５】（参考例１） 本参考例にかかわる基本的な電子放出素子の構成は、図
１の（ａ）、（ｂ）の平面図及び断面図、及び図２の
（ａ）、（ｂ）の拡大した平面図及び断面図と同様であ
る。

【０１７６】本参考例にかかわる表面伝導型電子放出素
子の製造方法は、基本的には図５、図７と同様である。
以下、図１、図２、図５、図７を用いて、本参考例にか
かわる素子の基本的な構成及び製造方法を説明する。

【０１７７】以下、順をおって製造方法の説明を図１、
図２及び図５、図７に基づいて説明する。

【０１７８】工程−ａ 最初に、清浄化した石英基板１上に、素子電極２、３と
所望の素子電極間ギャップＬとなるべきパターンをホト
レジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１ 日立化成社製）で
形成し、電子ビーム蒸着法により、厚さ５ｎｍのＴｉ、
厚さ３０ｎｍのＰｔを順次堆積した。ホトレジストパタ
ーンを有機溶剤で溶解し、Ｐｔ／Ｔｉ堆積膜をリフトオ
フして、素子電極間隔Ｌは３μｍとし、素子電極の幅Ｗ
が５００μｍを有する素子電極２、３を形成した（図５
（ａ））。

【０１７９】工程−ｂ 膜厚１００ｎｍのＣｒ膜を真空蒸着により堆積し、後述
の導電性膜の形状に対応する開口を有するようにパター
ニングし、その上に有機パラジウム化合物溶液（ｃｃｐ
４２３０ 奥野製薬（株）製）をスピンナーにより回転
塗布、３００℃で１２分間の加熱焼成処理をした。ま
た、こうして形成された主元素としてＰｄよりなる導電
性膜４の膜厚は１０ｎｍ、シート抵抗Ｒｓは２×１０⁴
Ω／□であった。

【０１８０】工程−ｃ Ｃｒ膜及び焼成後の導電性膜４を酸エッチャントにより
エッチングして、導電性膜４の幅Ｗ’が３００μｍとな
る所望のパターンの導電性膜４を形成した（図５
（ｂ））。

【０１８１】以上の工程により、基板１上に、素子電極
２、３、導電性膜４を形成した。

【０１８２】なお、全く同じ工程により、比較例１、２
の素子を作製した。

【０１８３】工程−ｄ 次に、上記素子を図４の測定評価装置に設置し、真空ポ
ンプにて排気し、１×１０^-6Ｐａの真空度に達した後、
素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電源４１より、素
子の素子電極２、３間に電圧を印加し、フォーミング処
理を行い、導電性膜４に第二の間隙７を形成して、導電
性膜４ａ、４ｂに分離した（図５（ｃ）、図７
（ａ））。フォーミング処理の電圧波形は図６の（ｂ）
に示したものである。

【０１８４】図６の（ｂ）中、Ｔ₁及びＴ₂は電圧波形の
パルス幅とパルス間隔であり、本参考例ではＴ₁を１ｍ
ｓｅｃ、Ｔ₂を１６．７ｍｓｅｃとし、三角波の波高値
は０．１Ｖステップで昇圧し、フォーミング処理を行っ
た。また、フォーミング処理中は、同時に、０．１Ｖの
電圧で、フォーミング用パルスの間に抵抗測定パルスを
挿入し、抵抗を測定した。尚、フォーミング処理の終了
は、抵抗測定パルスでの測定値が、約１ＭΩ以上になっ
た時とし、同時に、素子への電圧の印加を終了した。

【０１８５】工程−ｅ 続いて、活性化工程を行うために、トルニトリルをスロ
ーリークバルブを通して真空装置内に導入し、１．３×
１０^-4Ｐａを維持した。次に、フォーミング処理した素
子に、素子電極２、３を介して、図８の（ａ）に示した
波形でＴ₁を１ｍｓｅｃ、Ｔ₂を１０ｍｓｅｃとし、最大
電圧値を±１５Ｖで活性化処理をした（図７（ａ）から
（ｄ））。このとき、素子電極３に与える電圧を正とし
ており、素子電流Ｉｆは、素子電極３から素子電極２へ
流れる方向が正である。約６０分後に図９の領域ＩＩに
入ったのを確認した後、通電を停止し、スローリークバ
ルブを閉め、活性化処理を終了した。

【０１８６】一方、本参考例の素子と同一のフォーミン
グ工程を行った比較例１、２の素子に、下記の条件で活
性化工程を施した。

【０１８７】比較例１の素子：トルニトリルの導入分圧
を１．３×１０^-2Ｐａとした以外は本参考例の素子と同
様 比較例２の素子：トルニトリルの導入分圧を１．３×１
０^-6Ｐａとした以外は本参考例の素子と同様

【０１８８】工程−ｆ 続いて、安定化工程を行う。真空装置及び電子放出素子
をヒーターにより加熱して約２５０℃に維持しながら真
空装置内の排気を続けた。２０時間後、ヒーターによる
加熱をやめ、室温に戻したところ真空装置内の圧力は１
×１０^-8Ｐａ程度に達した。

【０１８９】続いて、電子放出特性の測定を行った。

【０１９０】アノード電極４４と電子放出素子の間の距
離Ｈを４ｍｍとし、高圧電源４３によりアノード電極４
４に１ｋＶの電位を与えた。この状態で、電源４１を用
いて素子電極２、３の間に波高値１５Ｖの矩形パルス電
圧を印加して、電流計４０及び電流計４２により、本参
考例の素子及び比較例の素子の素子電流Ｉｆおよび放出
電流Ｉｅをそれぞれ測定した。

【０１９１】本参考例の素子は、素子電流Ｉｆ＝７．０
ｍＡ、放出電流Ｉｅ＝１７．５μＡ、電子放出効率η
（＝Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．２５％であった。比較例１の素
子では、素子電流Ｉｆ＝７．０ｍＡ、放出電流Ｉｅ＝
５．０μＡ、電子放出効率η（＝Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．０
７％、比較例２の素子では、素子電流Ｉｆ＝２．０ｍ
Ａ、放出電流Ｉｅ＝４．０μＡ、電子放出効率η（＝Ｉ
ｅ／Ｉｆ）＝０．２０％であった。

【０１９２】この結果から、本参考例の素子は、比較例
の素子と比較して、放出電流Ｉｅが大きく、かつ電子放
出効率ηが優れていることがわかった。

【０１９３】また、上記工程で作製した本参考例の素
子、及び比較例の素子について、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）観察および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行っ
た。

【０１９４】まず、原子間力顕微鏡を用い、素子の電子
放出部５を含む平面の形状観察を行った。本参考例の素
子の形状は、図２（ａ）に示した平面形状と同様のもの
であった。すなわち、導電性膜４に形成された間隙７の
両側に堆積物２１ａ、２１ｂが観測された。また、原子
間力顕微鏡により得られた高さ情報から、堆積物の最も
高い部分での高さは導電性膜４ａ、４ｂの表面より約８
０ｎｍ高い位置にあり、その高さの堆積物は、幅５０ｎ
ｍ程度の帯状の形状を有していた。一方、比較例１の素
子においても同様に堆積物が観測されたが、堆積物の高
さはほぼ一様であり、本参考例の素子のような帯状の形
状は見られなかった。また、比較例２の素子を観察した
ところ、導電性膜に形成された第二の間隙７の両側に堆
積物が有る場所と無い場所が点在していた。

【０１９５】次に、それぞれの素子の堆積物を含む断面
の透過型電子顕微鏡観察を行った。

【０１９６】その結果、本参考例の素子の第一の間隙８
の近傍の堆積物は、図２（ｂ）に示した形状と同様であ
り、堆積物２１ａ、２１ｂに相当する部分の高さは約８
０ｎｍであった。なお、堆積物２１ａは、図１の素子電
極２に導電性膜４ａを介して接続しており、堆積物２１
ｂは、図１の素子電極３に導電性膜４ｂを介して接続し
ている。また、導電性膜４ａ、４ｂ上にも堆積物２１
ａ、２１ｂが形成されており、その高さは、約２０ｎｍ
であった。さらに厚さＤに対応する部分の厚さを測定し
たところ約２５ｎｍであった。また、第一の間隙８にお
いて、最も狭くなっている箇所は、基板表面および導電
性膜表面よりも上方に存在しており、その間隔（図２
（ｂ）のＡＢ間距離）は約３ｎｍであった。

【０１９７】基板変質部（凹部）の深さは、約３０ｎｍ
であり、中心部には、空洞が観察された。

【０１９８】また、比較例１の素子では、導電性膜に形
成された第二の間隙部７全体を厚く堆積物が覆ってお
り、図２（ｂ）に示したような形状は観測されなかっ
た。

【０１９９】さらに、比較例２の素子では、堆積物の堆
積量が少ないため、詳細な形状は分からなかった。

【０２００】最後に、本参考例の素子の導電性膜に形成
された間隙７近傍の堆積物を、電子プローブマイクロア
ナリシス（ＥＰＭＡ）およびＸ線光電子分光（ＸＰ
Ｓ）、さらにはオージェ電子分光によって元素分析し、
該堆積物が炭素を主成分としてなるカーボン膜であるこ
とを確認した。

【０２０１】これらの観察結果から、本参考例の素子で
は、堆積した堆積物２１ａ、２１ｂはグラファイト状の
炭素を主成分としたカーボン膜であり、基板変質部２２
には空洞があり、図２（ｂ）に示した形状と同様の形状
を有することから、放電流Ｉｅが大きく、放出効率ηの
高い良好な電子放出が得られた。また、参考例１及び比
較例１、２の素子を同一時間駆動したところ、本参考例
の素子に比べ、比較例の素子は電子放出特性の劣化が早
く見られ、比較例の一部の素子は放電によると見られる
急激な素子特性の劣化が見られたが、本参考例の素子
は、劣化も少なく、安定な特性が得られた。

【０２０２】（参考例２） 本参考例では、工程−ｄまで、参考例１と同様の工程を
行った。基板１としては、青板ガラス基板にＳｉＯ₂を
コートした基板を用いた。

【０２０３】工程−ｅ 続いて、活性化工程を行うために、アクリロニトリルを
スローリークバルブを通して真空装置内に導入し、１．
３×１０^-2Ｐａを維持した。次に、フォーミング処理し
た素子に、素子電極２、３を介して、図８の（ａ）に示
した波形でＴ₁を１ｍｓｅｃ、Ｔ₂を１０ｍｓｅｃとし、
最大電圧値を±１５Ｖで活性化処理をした。このとき、
素子電極３に与える電圧を正としており、素子電流Ｉｆ
は、素子電極３から素子電極２へ流れる方向が正であ
る。約４５分後に図９の領域ＩＩに入ったのを確認した
後、通電を停止し、スローリークバルブを閉め、活性化
処理を終了した。

【０２０４】一方、本参考例の素子と同一のフォーミン
グ工程を行った比較例３、４の素子に、下記の条件で活
性化工程を施した。

【０２０５】比較例３の素子：アクリロニトリルの導入
分圧を１．３Ｐａとした以外は本参考例の素子と同様 比較例４の素子：アクリロニトリルの導入分圧を１．３
×１０^-4Ｐａとした以外は本参考例の素子と同様

【０２０６】工程−ｆ 続いて、安定化工程を行う。真空装置及び電子放出素子
をヒーターにより加熱して約２５０℃に維持しながら真
空装置内の排気を続けた。２０時間後、ヒーターによる
加熱をやめ、室温に戻したところ真空装置内の圧力は１
×１０^-8Ｐａ程度に達した。

【０２０７】続いて、電子放出特性の測定を行った。

【０２０８】アノード電極４４と電子放出素子の間の距
離Ｈを４ｍｍとし、高圧電源４３によりアノード電極４
４に１ｋＶの電位を与えた。この状態で、電源４１を用
いて素子電極２、３の間に波高値１５Ｖの矩形パルス電
圧を印加して、電流計４０及び電流計４２により、本参
考例の素子及び比較例の素子の素子電流Ｉｆおよび放出
電流Ｉｅをそれぞれ測定した。

【０２０９】本参考例の素子は、素子電流Ｉｆ＝５．５
ｍＡ、放出電流Ｉｅ＝１４．０μＡ、電子放出効率η
（＝Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．２４％であった。比較例３の素
子では、素子電流Ｉｆ＝７．５ｍＡ、放出電流Ｉｅ＝
５．５μＡ、電子放出効率η（＝Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．０
７％、比較例４の素子では、素子電流Ｉｆ＝４．０ｍ
Ａ、放出電流Ｉｅ＝１０．０μＡ、電子放出効率η（＝
Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．２５％であった。

【０２１０】この結果から、本参考例の素子は、比較例
の素子と比較して、放出電流Ｉｅが大きく、かつ電子放
出効率ηが優れていることがわかった。

【０２１１】また、上記工程で作製した本参考例の素子
について、参考例１と同様に、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）観察および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行っ
たところ、本参考例の素子の形状は、図２（ａ）および
（ｂ）に示した形状と同様の堆積物２１ａ、２１ｂを有
していた。本参考例の素子では、図２（ｂ）における堆
積物２１ａ、２１ｂに相当する部分の高さは約６０ｎｍ
であった。さらに厚さＤに対応する部分の厚さを測定し
たところ約２０ｎｍであった。また、基板変質部（凹
部）の深さは、約４０ｎｍであり、中心部には、空洞が
観察された。また、第一の間隙８において、最も狭くな
っている箇所は、基板表面および導電性膜表面よりも上
方に存在しており、その間隔（図２（ｂ）のＡＢ間距
離）は約４ｎｍであった。

【０２１２】最後に、本参考例の素子の導電性膜に形成
された間隙近傍の堆積物を、ＥＰＭＡおよびＸ線光電子
分光（ＸＰＳ）、さらにはオージェ電子分光によって元
素分析し、該堆積物が炭素を主成分としてなるカーボン
膜であることを確認した。

【０２１３】これらの観察結果から、本参考例の素子に
おいても、堆積物２１ａ、２１ｂはグラファイト状の炭
素を主成分としたカーボン膜であり、図２（ｂ）に示し
た形状と同様の形状を有する。これらのことから、放出
電流Ｉｅが大きく、放出効率ηの高い良好な電子放出が
得られた。また、参考例２及び比較例３、４の素子を同
一時間駆動したところ、比較例の素子は、本参考例の素
子に比べ、電子放出特性の劣化が早く、また、放電と見
られる現象が観察されたが、本参考例の素子は特性が非
常に安定であった。

【０２１４】（参考例３） 本参考例にかかわる基本的な電子放出素子の構成は、図
１の（ａ）、（ｂ）の平面図及び断面図、及び図３の
（ａ）、（ｂ）の拡大した平面図及び断面図と同様であ
る。

【０２１５】本参考例では、工程−ｄまで、参考例１と
同様の工程を行った。

【０２１６】工程−ｅ 続いて、活性化工程を行うために、トルニトリルをスロ
ーリークバルブを通して真空装置内に導入し、１．３×
１０^-4Ｐａを維持した。次に、フォーミング処理した素
子に、素子電極２、３を介して、図８の（ｂ）に示した
波形でＴ₁を２ｍｓｅｃ、Ｔ₁’を１ｍｓｅｃ、Ｔ₂を１
０ｍｓｅｃとし、最大電圧値を±１５Ｖで活性化処理を
した。このとき、素子電極３に与える電圧を正としてお
り、素子電流Ｉｆは、素子電極３から素子電極２へ流れ
る方向が正である。約３０分後に図９の領域ＩＩに入っ
たのを確認した後、通電を停止し、スローリークバルブ
を閉め、活性化処理を終了した。

【０２１７】一方、本参考例の素子と同一のフォーミン
グ工程を行った比較例５、６の素子に、下記の条件で活
性化工程を施した。

【０２１８】比較例５の素子：トルニトリルの導入分圧
を１．３×１０^-2Ｐａとした以外は本参考例の素子と同
様 比較例６の素子：トルニトリルの導入分圧を１．３×１
０^-6Ｐａとした以外は本参考例の素子と同様

【０２１９】工程−ｆ 続いて、安定化工程を行う。真空装置及び電子放出素子
をヒーターにより加熱して約２５０℃に維持しながら真
空装置内の排気を続けた。２０時間後、ヒーターによる
加熱をやめ、室温に戻したところ真空装置内の圧力は１
×１０^-8Ｐａ程度に達した。

【０２２０】続いて、電子放出特性の測定を行った。

【０２２１】アノード電極４４と電子放出素子の間の距
離Ｈを４ｍｍとし、高圧電源４３によりアノード電極４
４に１ｋＶの電位を与えた。この状態で、電源４１を用
いて素子電極２、３の間に波高値１５Ｖの矩形パルス電
圧を印加して、電流計４０及び電流計４２により、本参
考例の素子及び比較例の素子の素子電流Ｉｆおよび放出
電流Ｉｅをそれぞれ測定した。

【０２２２】本参考例の素子は、素子電流Ｉｆ＝７．０
ｍＡ、放出電流Ｉｅ＝１８．５μＡ、電子放出効率η
（＝Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．２６％であった。比較例５の素
子では、素子電流Ｉｆ＝７．０ｍＡ、放出電流Ｉｅ＝
５．０μＡ、電子放出効率η（＝Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．０
７％、比較例６の素子では、素子電流Ｉｆ＝２．０ｍ
Ａ、放出電流Ｉｅ＝４．０μＡ、電子放出効率η（＝Ｉ
ｅ／Ｉｆ）＝０．２０％であった。

【０２２３】この結果から、本参考例の素子は、比較例
の素子と比較して、放出電流Ｉｅが大きく、かつ電子放
出効率ηが優れていることがわかった。

【０２２４】また、上記工程で作製した本参考例の素
子、及び比較例の素子について、参考例１と同様に、原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）観察および透過型電子顕微鏡
（ＴＥＭ）観察を行った。

【０２２５】まず、原子間力顕微鏡を用い、素子の電子
放出部５を含む平面の形状観察を行った。本参考例の素
子の形状は、図３（ａ）に示した平面形状と同様のもの
であった。すなわち、導電性膜４に形成された間隙７の
両側に堆積物２１ａ、２１ｂが観測された。また、原子
間力顕微鏡により得られた高さ情報から、堆積物の最も
高い部分での高さは導電性膜の表面より約５０ｎｍ高い
位置にあり、その高さの堆積物は、幅５０ｎｍ程度の帯
状の形状を有していた。一方、比較例５の素子において
も堆積物が観測されたが、堆積物の高さはほぼ一様であ
り、本参考例の素子のような帯状の形状は見られなかっ
た。また、比較例６の素子を観察したところ、導電性膜
に形成された間隙の両側に堆積物が有る場所と無い場所
が点在していた。

【０２２６】次に、それぞれの素子の堆積物を含む断面
の透過型電子顕微鏡観察を行った。

【０２２７】その結果、本参考例の素子の間隙８の近傍
の堆積物は、図３（ｂ）に示した形状と同様であり、堆
積物２１ａに相当する部分の高さは約３０ｎｍで、堆積
物２１ｂに相当する部分の高さは約５０ｎｍであった。
なお、堆積物２１ａは、図１の素子電極２に導電性膜４
ａを介して接続しており、堆積物２１ｂは、図１の素子
電極３に導電性膜４ｂを介して接続している。また、厚
さＤに対応する部分の厚さを測定したところ約２５ｎｍ
であった。また、第一の間隙８において、最も狭くなっ
ている箇所は、基板表面および導電性膜表面よりも上方
に存在しており、その間隔（図２（ｂ）のＡＢ間距離）
は約３ｎｍであった。

【０２２８】基板変質部（凹部）の深さは、約３０ｎｍ
であり、中心部には、空洞が観察された。

【０２２９】一方、比較例５の素子では、導電性膜に形
成された間隙部全体を厚く堆積物が覆っており、図３
（ｂ）に示したような形状は観測されなかった。

【０２３０】また、比較例６の素子では、堆積物の堆積
量が少ないため、詳細な形状は分からなかった。

【０２３１】最後に、本参考例の素子の導電性膜に形成
された間隙近傍の堆積物を、電子プローブマイクロアナ
リシス（ＥＰＭＡ）およびＸ線光電子分光（ＸＰＳ）、
さらにはオージェ電子分光によって元素分析し、該堆積
物が炭素を主成分としてなるカーボン膜であることを確
認した。

【０２３２】これらの観察結果から、本参考例の素子で
は、堆積した堆積物２１ａ、２１ｂはグラファイト状の
炭素を主成分としたカーボン膜であり、基板変質部２２
には空洞があり、図３（ｂ）に示した形状と同様の形状
を有することから、放出電流Ｉｅが大きく、放出効率η
の高い良好な電子放出が得られた。また、参考例３及び
比較例５、６の素子を同一時間駆動したところ、本参考
例の素子に比べ、比較例の素子は電子放出特性の劣化が
早く見られ、比較例の一部の素子は放電によると見られ
る急激な素子特性の劣化が見られたが、本参考例の素子
は、劣化も少なく、安定な特性が得られた。

【０２３３】（参考例４） 本参考例にかかわる基本的な電子放出素子の構成は、参
考例３と同様であり、図１の（ａ）、（ｂ）の平面図及
び断面図、及び図３の（ａ）、（ｂ）の拡大した平面図
及び断面図と同様である。

【０２３４】本参考例では、工程−ｄまで、参考例１と
同様の工程を行った。

【０２３５】工程−ｅ 続いて、活性化工程を行うために、アクリロニトリルを
スローリークバルブを通して真空装置内に導入し、１．
３×１０^-2Ｐａを維持した。次に、フォーミング処理し
た素子に、素子電極２、３を介して、図８の（ｂ）に示
した波形でＴ₁を１ｍｓｅｃ、Ｔ₁’を０．５ｍｓｅｃ、
Ｔ₂を１０ｍｓｅｃとし、最大電圧値を±１４Ｖで活性
化処理をした。このとき、素子電極３に与える電圧を正
としており、素子電流Ｉｆは、素子電極３から素子電極
２へ流れる方向が正である。約３０分後に図９の領域Ｉ
Ｉに入ったのを確認した後、通電を停止し、スローリー
クバルブを閉め、活性化処理を終了した。

【０２３６】一方、本参考例の素子と同一のフォーミン
グ工程を行った比較例７、８の素子に、下記の条件で活
性化工程を施した。

【０２３７】比較例７の素子：アクリロニトリルの導入
分圧を１．３Ｐａとした以外は本参考例の素子と同様 比較例８の素子：アクリロニトリルの導入分圧を１．３
×１０^-4Ｐａとした以外は本参考例の素子と同様

【０２３８】工程−ｆ 続いて、安定化工程を行う。真空装置及び電子放出素子
をヒーターにより加熱して約２５０℃に維持しながら真
空装置内の排気を続けた。２０時間後、ヒーターによる
加熱をやめ、室温に戻したところ真空装置内の圧力は１
×１０^-8Ｐａ程度に達した。

【０２３９】続いて、電子放出特性の測定を行った。

【０２４０】アノード電極４４と電子放出素子の間の距
離Ｈを４ｍｍとし、高圧電源４３によりアノード電極４
４に１ｋＶの電位を与えた。この状態で、電源４１を用
いて素子電極２、３の間に波高値１５Ｖの矩形パルス電
圧を印加して、電流計４０及び電流計４２により、本参
考例の素子及び比較例の素子の素子電流Ｉｆおよび放出
電流Ｉｅをそれぞれ測定した。

【０２４１】本参考例の素子は、素子電流Ｉｆ＝５．５
ｍＡ、放出電流Ｉｅ＝１５．０μＡ、電子放出効率η
（＝Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．２７％であった。比較例７の素
子では、素子電流Ｉｆ＝７．５ｍＡ、放出電流Ｉｅ＝
５．５μＡ、電子放出効率η（＝Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．０
７％、比較例８の素子では、素子電流Ｉｆ＝４．０ｍ
Ａ、放出電流Ｉｅ＝１０．０μＡ、電子放出効率η（＝
Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．２５％であった。

【０２４２】この結果から、本参考例の素子は、比較例
の素子と比較して、放出電流Ｉｅが大きく、かつ電子放
出効率ηが優れていることがわかった。

【０２４３】また、上記工程で作製した本参考例の素
子、及び比較例の素子について、参考例１と同様に、原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）観察および透過型電子顕微鏡
（ＴＥＭ）観察を行ったところ、本参考例の素子の形状
は、図３（ａ）および（ｂ）に示した形状と同様の堆積
物２１ａ、２１ｂを有していた。本参考例の素子では、
図３（ｂ）における堆積物２１ａに相当する部分の高さ
は約２０ｎｍで、堆積物２１ｂに相当する部分の高さは
約４０ｎｍであった。さらに厚さＤに対応する部分の厚
さを測定したところ約２０ｎｍであった。また、基板変
質部（凹部）の深さは、約４０ｎｍであり、中心部に
は、空洞が観察された。また、第一の間隙８において、
最も狭くなっている箇所は、基板表面および導電性膜表
面よりも上方に存在しており、その間隔（図２（ｂ）の
ＡＢ間距離）は約４ｎｍであった。

【０２４４】最後に、本参考例の素子の導電性膜に形成
された間隙近傍の堆積物を、ＥＰＭＡおよびＸ線光電子
分光（ＸＰＳ）、さらにはオージェ電子分光によって元
素分析し、該堆積物が炭素を主成分としてなるカーボン
膜であることを確認した。

【０２４５】これらの観察結果から、本参考例の素子に
おいても、堆積物２１ａ、２１ｂはグラファイト状の炭
素を主成分としたカーボン膜であり、図３（ｂ）に示し
た形状と同様の形状を有する。これらのことから、放出
電流Ｉｅが大きく、放出効率ηの高い良好な電子放出が
得られた。また、参考例４及び比較例７、８の素子を同
一時間駆動したところ、比較例の素子は、本参考例の素
子に比べ、電子放出特性の劣化が早く、また、放電と見
られる現象が観察されたが、本参考例の素子は特性が非
常に安定であった。

【０２４６】（参考例５） 本参考例では、工程−ｅの活性化処理において、図１５
に示す印加電圧波形を用いた以外は、参考例３と同様の
工程を行った。

【０２４７】結果は、参考例３と同じく、堆積物２１
ａ、２１ｂはグラファイト状の炭素を主成分としたもの
であり、図３（ｂ）に示した形状と同様の形状を有して
おり、放出電流Ｉｅが大きく、放出効率ηの高い良好な
電子放出が得られた。

【０２４８】（参考例６） 本参考例では、工程−ｅの活性化処理において、初めに
図１６（ａ）に示す印加電圧波形を２０分印加し、その
後図１６（ｂ）に示す印加電圧波形を１０分印加した以
外は、参考例３と同様の工程を行った。

【０２４９】結果は、参考例３と同じく、堆積物２１
ａ、２１ｂはグラファイト状の炭素を主成分としたもの
であり、図３（ｂ）に示した形状と同様の形状を有して
おり、放出電流Ｉｅが大きく、放出効率ηの高い良好な
電子放出が得られた。

【０２５０】（参考例７） 本参考例は、多数の表面伝導型電子放出素子を単純マト
リクス配置した電子源を用いた画像形成装置の例であ
る。

【０２５１】電子源基板の一部の平面図を図１７に示
す。また、図中のＡ−Ａ’断面図を図１８に示す。但
し、図１７、図１８で同じ符号で示したものは、同じも
のを示す。ここで７１は基板、７２は図１１のＤｘｍに
対応するＸ方向配線（下配線とも呼ぶ）、７３は図１１
のＤｙｎに対応するＹ方向配線（上配線とも呼ぶ）、２
と３は素子電極、４は導電性膜、１７１は層間絶縁層、
１７２は素子電極２と下配線７２との電気的接続のため
のコンタクトホールである。

【０２５２】次に、製造方法を図１９及び図２０により
工程順に従って具体的に説明する。

【０２５３】工程−ａ 清浄化した青板ガラス上に厚さ０．５μｍのシリコン酸
化膜をスパッタ法で形成した基板７１上に、真空蒸着に
より、厚さ５ｎｍのＣｒ、厚さ０．６μｍのＡｕを順次
積層した後、ホトレジスト（ＡＺ１３７０／ヘキスト社
製）をスピンナーにより回転塗布、ベークした後、ホト
マスク像を露光、現像して、下配線７２のレジストパタ
ーンを形成し、Ａｕ／Ｃｒ堆積膜をウエットエッチング
して、所望の形状の下配線７２を形成する（図１９の
（ａ））。

【０２５４】工程−ｂ 次に、厚さ１．０μｍのシリコン酸化膜よりなる層間絶
縁層１７１をＲＦスパッタ法により堆積する（図１９の
（ｂ））。

【０２５５】工程−ｃ 工程−ｂで堆積した層間絶縁層１７１にコンタクトホー
ル１７２を形成するためのホトレジストパターンを作
り、これをマスクとして層間絶縁層１７１をエッチング
してコンタクトホール１７２を形成した（図１９の
（ｃ））。

【０２５６】工程−ｄ その後、素子電極２、３と素子電極間ギャップＬとなる
べきパターンをホトレジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１
日立化成社製）で形成し、スパッタ法により、厚さ５
ｎｍのＴｉ、厚さ０．１μｍのＰｔを順次堆積した。ホ
トレジストパターンを有機溶剤で溶解し、Ｐｔ／Ｔｉ堆
積膜をリフトオフし、素子電極間隔Ｌが３μｍ、素子電
極の幅Ｗが０．３ｍｍの素子電極２，３を形成した（図
１９の（ｄ））。

【０２５７】工程−ｅ 素子電極２，３の上に上配線７３のホトレジストパター
ンを形成した後、厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ０．５μｍの
Ａｕを順次真空蒸着により堆積し、リフトオフにより不
要の部分を除去して、所望の形状の上配線７３を形成し
た（図２０の（ａ））。

【０２５８】工程−ｆ 膜厚０．１μｍのＣｒ膜１７３を真空蒸着により堆積
後、導電性膜４の形状の開口部を有するようにパターニ
ングし、その上に有機パラジウム化合物溶液（ｃｃｐ４
２３０ 奥野製薬（株）製）をスピンナーにより回転塗
布、３００℃で１０分間の加熱焼成処理をした（図２０
の（ｂ））。こうして形成された主元素としてＰｄより
なる微粒子からなる導電性膜４の膜厚は１０ｎｍ、シー
ト抵抗値は２×１０⁴Ω／□であった。

【０２５９】工程−ｇ Ｃｒ膜１７３および焼成後の導電性膜４を酸エッチャン
トによりエッチングして導電性膜の不要部分とともに除
去し、所望のパターンの導電性膜４を形成した（図２０
の（ｃ））。

【０２６０】工程−ｈ コンタクトホール１７２部分に開口を有するレジストパ
ターンを形成し、真空蒸着により厚さ５ｎｍのＴｉ、厚
さ０．５μｍのＡｕを順次堆積した。リフトオフにより
不要部分を除去することにより、コンタクトホール１７
２を埋め込んだ（図２０の（ｄ））。

【０２６１】以上の工程により、絶縁性基板７１上に下
配線７２、層間絶縁層１７１、上配線７３、素子電極
２，３、導電性膜４を形成した。

【０２６２】次に、以上のようにして作製した電子源基
板を用いて、電子源及び表示装置を構成した例を、図１
２と図１３を用いて説明する。

【０２６３】以上のようにして素子を作製した基板７１
をリアプレート８１上に固定した後、電子源基板７１の
５ｍｍ上方に、フェースプレート８６（ガラス基板８３
の内面に蛍光膜８４とメタルバック８５が形成されて構
成される）を支持枠８２を介して配置し、フェースプレ
ート８６、支持枠８２、リアプレート８１の接合部にフ
リットガラスを塗布し、大気中で４００℃で１０分焼成
することで封着し、パネル（図１２中の外囲器８８）を
構成した。なお、リアプレート８１への基板７１の固定
もフリットガラスで行った。

【０２６４】本参考例において図１２の７４は電子放出
部形成前の電子放出素子（例えば、図５の（ｂ）に相当
する）であり、７２，７３はそれぞれＸ方向及びＹ方向
の素子配線である。

【０２６５】蛍光膜８４は、ストライプ形状（図１３
（ａ）参照）の蛍光体とし、先にブラックストライプを
形成し、その間隙部にスラリー法により各色蛍光体９２
を塗布して蛍光膜８４を作製した。ブラックストライプ
の材料としては、通常よく用いられている黒鉛を主成分
とする材料を用いた。

【０２６６】また、蛍光膜８４の内面側にはメタルバッ
ク８５を設けた。メタルバック８５は、蛍光膜８４の作
製後、蛍光膜８４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
着することで作製した。

【０２６７】フェースプレート８６には、更に蛍光膜８
４の導電性を高めるため、蛍光膜８４の外面側に透明電
極を設ける場合もあるが、本参考例ではメタルバック８
５のみで十分な導電性が得られたので省略した。

【０２６８】前述の封着を行う際、カラーの場合は各色
蛍光体９２と素子とを対応させなくてはいけないため、
十分な位置合わせを行った。

【０２６９】以上のようにして完成したパネル内の雰囲
気を排気管（図示せず）を通じ真空ポンプにて排気し、
十分な真空度に達した後、容器外端子Ｄｏｘ１ないしＤ
ｏｘｍとＤｏｙ１ないしＤｏｙｎを通じ素子７４の電極
２，３間に電圧を印加し、導電性膜４をフォーミング処
理した。フォーミング処理の電圧波形は、図６の（ｂ）
と同様である。

【０２７０】本参考例ではＴ₁を１ｍｓｅｃ、Ｔ₂を１０
ｍｓｅｃとし、約１．３×１０^-3Ｐａの真空雰囲気下で
行った。

【０２７１】次に、パネル内の圧力が１０^-6Ｐａ台に達
するまで排気を続けた後、パネルの排気管より、全圧が
１．３×１０^-4Ｐａとなるようにトルニトリルをパネル
内に導入し、維持した。容器外端子Ｄｏｘ１ないしＤｏ
ｘｍとＤｏｙ１ないしＤｏｙｎを通じ素子７４の電極
２，３間に、図８の（ａ）に示した波形で、Ｔ₁を１ｍ
ｓｅｃ、Ｔ₂を１０ｍｓｅｃ、最大電圧値を±１５Ｖと
して活性化処理をした。このとき、素子電極３に与える
電圧を正とした。

【０２７２】このように、フォーミング、活性化処理を
行い、電子放出素子７４を作製した。

【０２７３】次にパネル全体を２５０℃に加熱しながら
排気し、室温まで降温して内部を１０^-7Ｐａ程度の圧力
とした後、不図示の排気管をガスバーナーで熱すること
で溶着し外囲器の封止を行った。

【０２７４】最後に、封止後の圧力を維持するために、
高周波加熱法でゲッター処理を行った。

【０２７５】以上のように完成した本参考例の画像表示
装置において、各電子放出素子には、容器外端子Ｄｏｘ
１ないしＤｏｘｍ、Ｄｏｙ１ないしＤｏｙｎを通じ、走
査信号及び変調信号を不図示の信号発生手段より夫々印
加することにより、電子放出させ、高圧端子８７を通じ
てメタルバック８５に５ｋＶ以上の高圧を印加し、電子
ビームを加速し、蛍光膜８４に衝突させ、励起・発光さ
せることで画像を表示した。

【０２７６】その結果、本参考例の画像形成装置は、高
輝度で長時間にわたり安定で良好な画像を表示すること
ができた。

【０２７７】（参考例８） 本参考例では、参考例７で作製した画像表示装置を、図
１４に示した駆動回路を用いて、ＮＴＳＣ方式のテレビ
信号に応じて表示を行った。

【０２７８】本表示装置においては、とりわけ表面伝導
型電子放出素子を電子ビーム源とするディスプレイパネ
ルの薄型化が容易であるため、表示装置の奥行きを小さ
くすることができる。それに加えて、表面伝導型電子放
出素子を電子ビーム源とするディスプレイパネルは大面
積化が容易で輝度が高く視野角特性にも優れるため、本
表示装置は臨場感にあふれ迫力に富んだ画像を視認性良
く表示することが可能である。

【０２７９】本参考例における表示装置は、ＮＴＳＣ方
式のテレビ信号に応じたテレビ画像を良好に、かつ安定
して表示することができた。

【０２８０】（実施例１） 本実施例にかかわる基本的な電子放出素子の構成は、図
１の（ａ）、（ｂ）の平面図及び断面図、及び図２の
（ａ）、（ｂ）の拡大した平面図及び断面図と同様であ
る。

【０２８１】本実施例にかかわる表面伝導型電子放出素
子の製造方法は、基本的には図５、図７と同様である。
以下、図１、図２、図５、図７を用いて、本実施例に関
わる素子の基本的な構成及び製造方法を説明する。

【０２８２】以下、順をおって製造方法の説明を図１、
図２及び図５、図７に基づいて説明する。

【０２８３】工程−ａ 最初に、清浄化した石英基板１上に、素子電極２、３と
所望の素子電極間ギャップＬとなるべきパターンをホト
レジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１ 日立化成社製）で
形成し、電子ビーム蒸着法により、厚さ５ｎｍのＴｉ、
厚さ３０ｎｍのＰｔを順次堆積した。ホトレジストパタ
ーンを有機溶剤で溶解し、Ｐｔ／Ｔｉ堆積膜をリストオ
フ、素子電極間隔Ｌは３μｍとし、素子電極の幅Ｗが５
００μｍを有する素子電極２、３を形成した（図５
（ａ））。

【０２８４】工程−ｂ 膜厚１００ｎｍのＣｒ膜を真空蒸着により堆積し、後述
の導電性膜の形状に対応する開口を有するようにパター
ニングし、そのうえに有機パラジウム化合物溶液（ｃｃ
ｐ４２３０ 奥野製薬（株）製）をスピンナーにより回
転塗布、３００℃で１２分間の加熱焼成処理をした。ま
た、こうして形成された主元素としてＰｄよりなる微粒
子からなる導電性膜４の膜厚は１０ｎｍ、シート抵抗Ｒ
ｓは２×１０⁴Ω／口であった。なおここで述べる微粒
子膜とは、前述したように、複数の微粒子が集合した膜
である。

【０２８５】工程−ｃ Ｃｒ膜および焼成後の導電性膜４を酸エッチャントによ
りエッチングして、導電性膜４の幅Ｗ’の幅が３００μ
ｍとなるよう所望のパターンの導電性膜４を形成した
（図５（ｂ））。

【０２８６】以上の工程により基板１上に、素子電極
２、３、導電性膜４を形成した。

【０２８７】なお、全く同じ工程により、比較例９、１
０の素子を作製した。

【０２８８】工程−ｄ 次に、図４の測定評価装置に設置し、真空ポンプにて排
気し、１×１０^-6Ｐａの真空度に達した後、素子に素子
電圧Ｖｆを印加するための電源３１より、素子の素子電
極２、３間に電圧を印加し、フォーミング処理を行い、
導電性膜に第二の間隙７を形成した。フォーミング処理
の電圧波形は図６の（ｂ）に示したものである（図５
（ｃ）、図７（ａ））。

【０２８９】図６の（ｂ）中、Ｔ₁及びＴ₂は電圧波形の
パルス幅とパルス間隔であり、本実施例ではＴ₁を１ｍ
ｓｅｃ、Ｔ₂を１６．７ｍｓｅｃとし、矩形波の波高値
は０．１Ｖステップで昇圧し、フォーミング処理を行っ
た。また、フォーミング処理中は、同時に、０．１Ｖの
電圧で、フォーミング用パルスの間に抵抗測定パルスを
挿入し、抵抗を測定した。尚フォーミング処理の終了
は、抵抗測定パルスでの測定値が、約１ＭΩ以上になっ
た時とし、同時に、素子への電圧の印加を終了した。
尚、フォーミングで印加した最大電圧値は約５Ｖであっ
た。

【０２９０】工程−ｅ 続いて、活性化工程を行うために、トルニトリルをスロ
ーリークバルブを通して真空装置内に導入し、１．３×
１０^-4Ｐａを維持した。次にフォーミング処理した素子
に、素子電極２、３を介して図２３に示した様な電圧
を、素子電極２を０Ｖとし、素子電極３に、６Ｖから１
５Ｖまで一定のレートで昇圧し、その後１５Ｖで維持
し、次に−１５Ｖで印加し活性化処理をした（図７
（ａ）から（ｄ））。このとき、素子電極３に与える電
圧を正としており、素子電流Ｉｆは、素子電極３から２
へ流れる方向が正である。約６０分後に図９の領域ＩＩ
に入ったのを確認した後通電を停止し、スローリークバ
ルブを閉め、活性化処理を終了した。

【０２９１】一方、本実施例の素子と同一のフォーミン
グ工程を行った比較例９，１０の素子に、下記の条件で
活性化工程を施した。

【０２９２】比較例９の素子：トルニトリルの導入分圧
を１．３×１０の^-2Ｐａとした以外は本実施例の素子と
同様 比較例１０の素子：トルニトリルの導入分圧を１．３×
１０の^-6Ｐａとした以外は本実施例の素子と同様

【０２９３】工程−ｆ 続いて、安定化工程を行う。真空装置及び電子放出素子
をヒーターにより加熱して約２５０℃に維持しながら真
空装置内の排気を続けた。２０時間後、ヒーターによる
加熱をやめ、室温に戻したところ真空装置内の圧力は１
×１０^-8Ｐａ程度に達した。

【０２９４】続いて、電子放出特性の測定を行った。

【０２９５】アノード電極４４と電子放出素子の間の距
離Ｈを４ｍｍとし、高圧電源４３によりアノード電極４
４に１ｋＶの電位を与えた。この状態で、電源４１を用
いて素子電極２、３の間に波高値１５Ｖの矩形パルス電
圧を印加して、電流計４０及び電流計４２により、本実
施例の素子及び比較例の素子の素子電流Ｉｆおよび放出
電流Ｉｅをそれぞれ測定した。

【０２９６】本実施例の素子は、素子電流Ｉｆ＝７．０
ｍＡ、放出電流Ｉｅ＝１７．５μＡ、電子放出効率η
（＝Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．２５％であった。比較例９の素
子では、素子電流Ｉｆ＝７．０ｍＡ、放出電流Ｉｅ＝
５．０μＡ、電子放出効率η（＝Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．０
７％、比較例１０の素子では、素子電流Ｉｆ＝２．０ｍ
Ａ、放出電流Ｉｅ＝４．０μＡ、電子放出効率η（＝Ｉ
ｅ／Ｉｆ）＝０．２０％であった。

【０２９７】この結果から、本実施例の素子は、比較例
の素子と比較して、放出電流Ｉｅが大きく、かつ電子放
出効率ηが優れていることがわかった。

【０２９８】また、上記工程で作製した本実施例の素
子、及び比較例の素子について、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）観察および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行っ
た。

【０２９９】まず、原子間力顕微鏡を用い、素子の電子
放出部５を含む平面の形状観察を行った。本実施例の素
子の形状は、図２（ａ）に示した平面形状と同様のもの
であった。すなわち、導電性膜４に形成された間隙７の
両側に堆積物２１ａ、２１ｂが観測された。また、原子
間力顕微鏡より得られた高さ情報から、堆積物の最も高
い部分での高さは導電性膜４の表面より約８０ｎｍ高い
位置にあり、その高さの堆積物は、幅５００ｎｍ程度の
帯状の形状を有していた。一方、比較例９の素子におい
ても本実施例の素子と同様に、導電性膜４に形成された
第二の間隙７の両側に堆積物が観測されたが、堆積物の
高さはほぼ一様であり、本実施例の素子のような帯状の
形状は見られなかった。また、比較例１０の素子を観察
したところ、導電性膜４に形成された第二の間隙７の両
側に堆積物が有る場所と無い場所が点在していた。

【０３００】次に、それぞれの素子の堆積物を含む断面
の透過型電子顕微鏡観察を行った。

【０３０１】その結果、本実施例の素子の間隙８の近傍
の堆積物は、図２（ｂ）に示した形状と同様であり、堆
積物２１、２２に相当する部分の高さは約８０ｎｍであ
った。尚、堆積物２１ａは、図１の素子電極２に導電性
膜４ａを介して接続しており、堆積物２１ｂは、図１の
素子電極３に導電性膜４ｂを介して接続している。又、
導電性膜４ａ，４ｂ上にも堆積物が堆積しており、その
高さは約２０ｎｍであった。さらに厚さＤに対応する部
分の厚さを測定したところ約２５ｎｍであった。また、
第一の間隙８において、最も狭くなっている箇所は、基
板表面および導電性膜表面よりも上方に存在しており、
その間隔（図２（ｂ）のＡＢ間距離）は約４ｎｍであっ
た。

【０３０２】基板変質部（凹部）の深さは、約３０ｎｍ
であり、変質部にも炭素原子の存在を確認した。中心部
には、空洞が観察された。

【０３０３】一方、比較例９の素子の堆積物は、導電性
膜に形成された間隙部全体を厚く堆積物が覆っており、
図２（ｂ）に示したような形状は観測されなかった。

【０３０４】さらに、比較例１０の素子では、堆積物の
堆積量が少ないため、詳細な形状は分からなかった。

【０３０５】最後に、本実施例の素子の導電性膜に形成
された間隙近傍の堆積物を、電子プローブマイクロアナ
リシス（ＥＰＭＡ）およびＸ線光電子分光（ＸＰＳ）、
さらにはオージェ電子分光によって元素分析し、該堆積
物が炭素を主成分としてなるカーボン膜であることを確
認した。

【０３０６】これらの観察結果から、本実施例の素子で
は、堆積した堆積物２１ａ，２１ｂはグラファイト状の
炭素を主成分としたカーボン膜であり、基板変質部２２
にも炭素が存在し、中心部は空洞があり、図２（ｂ）に
示した形状と同様の形状を有することから、放出電流Ｉ
ｅが大きく、放出効率ηの高い良好な電子放出が得られ
た。また、本実施例及び比較例９、１０の素子を同一時
間駆動したところ、本実施例の素子に比べ、比較例の素
子は電子放出特性の劣化が早く見られ、比較例の一部の
素子は放電によると見られる急激な素子特性の劣化が見
られたが、本実施例の素子は、劣化も少なく、安定な特
性が得られた。

【０３０７】（実施例２） 本実施例では、工程−ｄまで、実施例１と同様の工程を
行った。基板１としては、コーニング製７０５９基板を
用いた。

【０３０８】工程−ｅ 続いて、活性化工程を行うために、アクリロニトリルを
スローリークバブルを通して真空装置内に導入し、１．
３×１０^-2Ｐａを維持した。次にフォーミング処理した
素子に、図２３に示した波形で６Ｖから１５Ｖに昇圧
し、電圧値が＋１５Ｖになった時点で電圧値を維持して
活性化処理した（図７（ａ）〜（ｄ））。このとき、素
子電極３に与える電圧を正としており、素子電極２には
０Ｖを印加した。素子電流Ｉｆは、素子電極３から２へ
流れる方向が正である。約４５分後に印加電圧が１５Ｖ
の一定電位であり、素子電流が図９に示した領域ＩＩに
入った事を確認した上で通電を停止し、スローリークバ
ルブを閉め、活性化処理を終了した。

【０３０９】一方、本実施例の素子と同一のフォーミン
グ工程を行った比較例１１、１２の素子に、下記の条件
で活性化工程を施した。

【０３１０】比較例１１の素子：アクリロニトリルの導
入分圧を１．３Ｐａとした以外は本実施例の素子と同様 比較例１２の素子：アクリロニトリルの導入分圧を１．
３×１０^-4Ｐａとした以外は本実施例の素子と同様

【０３１１】工程−ｆ 続いて、安定化工程を行う。真空装置及び電子放出素子
をヒーターにより加熱して約２５０℃に維持しながら真
空装置内の排気を続けた。２０時間後、ヒーターによる
加熱をやめ、室温に戻したところ真空装置内の圧力は１
×１０^-8Ｐａ程度に達した。

【０３１２】続いて、電子放出特性の測定を行った。

【０３１３】アノード電極４４と電子放出素子の間で距
離Ｈを４ｍｍとし、高圧電源４３によりアノード電極４
４に１ｋＶの電位を与えた。この状態で、電源４１を用
いて素子電極２、３の間に波高値１５Ｖの矩形パルス電
圧を素子電極２を０Ｖ、素子電極３を１５Ｖとして印加
して、電流計４０及び電流計４２により、本実施例の素
子及び比較例の素子の素子電流Ｉｆおよび放出電流Ｉｅ
をそれぞれ測定した。

【０３１４】本実施例の素子は、素子電流Ｉｆ＝５．５
ｍＡ、放出電流Ｉｅ＝１４．０μＡ、電子放出効率η
（＝Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．２４％であった。比較例１１の
素子では、素子電流Ｉｆ＝７．５ｍＡ、放出電流Ｉｅ＝
５．５μＡ、電子放出効率η（＝Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．０
７％、比較例１２の素子では、素子電流Ｉｆ＝４．０ｍ
Ａ、放出電流Ｉｅ＝１０．０μＡ、電子放出効率η（＝
Ｉｅ／Ｉｆ）＝０．２５％であった。

【０３１５】この結果から、本実施例の素子は、比較例
の素子と比較して、放出電流Ｉｅが大きく、かつ電子放
出効率ηが優れていることがわかった。

【０３１６】また、上記工程で作製した本実施例の素子
について、実施例１と同様に、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）観察および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行っ
たところ、本実施例の素子の形状は、図３（ａ）および
（ｂ）に示した形状と同様の堆積物２１ａ，２１ｂを有
していた。本実施例の素子では、図３（ｂ）における堆
積物２１ａに相当する部分の高さは約２０ｎｍで、堆積
物２１ｂに対応する部分の高さは６０ｎｍであった。さ
らに厚さＤに対応する部分の厚さを測定したところ約２
０ｎｍであった。また、基板変質部の深さは、４０ｎｍ
で中央に空洞が観察された。また、第一の間隙８におい
て、最も狭くなっている箇所は、基板表面および導電性
膜表面よりも上方に存在しており、その間隔（図３
（ｂ）のＡＢ間距離）は約５ｎｍであった。

【０３１７】次にＴＥＭ中でプローブを絞り、エネルギ
ー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐ
ｅｒｓｉｖｅ Ｘ−Ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐ
ｙ）で基板変質部２２の元素分析を行った。基板変質部
２２と同等の深さの導電性膜４の下、基板部（未変質
部）と比較したところ、基板中のＢａ、Ａｌの比率は、
変化していなかったが、Ｂａ、Ａｌそれぞれに対してＳ
ｉが減少していることがわかった。また、基板変質部の
空洞である凹部表面に炭素が検出された。

【０３１８】最後に、本実施例の素子の第一の間隙８近
傍の堆積物２１ａ，２１ｂを、ＥＤＳ及びＸ線光電子分
光（ＸＰＳ）、さらにはオージェ電子分光によって元素
分析し、該堆積物が炭素を主成分としてなるカーボン膜
であることを確認した。

【０３１９】これらの観察結果から、本実施例の素子に
おいても、堆積物２１ａ，２１ｂはグラファイト状の炭
素を主成分としたものであり、図２（ｂ）に示した形状
と同様の形状を有する。また、基板変質部２２は、炭素
を含み、Ｓｉが消費された空洞構造を持つことがわかっ
た。これらのことから、放出効率ηの高い良好な電子放
出が得られた。また、本実施例の素子及び比較例１１，
１２の素子を同一条件で同一時間駆動したところ、比較
例の素子は、本実施例の素子に比べ、特性の劣化が早く
また、放電と見られる現象が観察されたが、本実施例の
素子は特性が非常に安定であった。

【０３２０】（実施例３） 本実施例は、多数の表面伝導電子放出素子を単純マトリ
クス配置した電子源を用いた画像形成装置の例である。

【０３２１】電子源の一部の平面図を図１７に示す。ま
た、図中のＡ−Ａ′断面図を図１８に示す。但し図１
７、図１８で、同じ記号を示したものは、同じものを示
す。ここで７１は基板、７２は図１１のＤｘｍに対応す
るＸ方向配線（下配線とも呼ぶ）、７３は図１１のＤｙ
ｎに対応するＹ方向配線（上配線とも呼ぶ）、４は導電
性膜、２、３は素子電極、１７１は層間絶縁層、１７２
は素子電極２と下配線７２と電気的接続のためのコンタ
クトホールである。

【０３２２】次に製造方法を図１９、図２０により工程
順に従って具体的に説明する。

【０３２３】工程−ａ 清浄化した青板ガラス上に厚さ０．５μｍのシリコン酸
化膜をスパッタ法で形成した基板７１上に、真空蒸着に
より厚さ５ｎｍのＣｒ、厚さ０．６μｍのＡｕを順次積
層した後、ホトレジスト（ＡＺ１３７０ヘキスト社製）
をスピンナーにより回転塗布、ベークした後、ホトマス
ク像を露光、現像して、下配線７２のレジストパターン
を形成し、Ａｕ／Ｃｒ堆積膜をウエットエッチングし
て、所望の形状の下配線７２を形成する（図１９の
（ａ））。

【０３２４】工程−ｂ 次に厚さ１．０μｍのシリコン酸化膜からなる層間絶縁
層１７１をＲＦスパッタ法により堆積する（図１９の
（ｂ））。

【０３２５】工程−ｃ 工程−ｂで堆積した層間絶縁層１７１にコンタクトホー
ル１７２を形成するためのホトレジストパターンを作
り、これをマスクとして層間絶縁層１７１をエッチング
してコンタクトホール１７２を形成する（図１９の
（ｃ））。

【０３２６】工程−ｄ その後、素子電極２と素子電極間ギャップＬとなるべき
パターンをホトレジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１ 日
立化成社製）で形成し、スパッタ法により、厚さ５ｎｍ
のＴｉ、厚さ０．１μｍのＰｔを順次堆積した。ホトレ
ジストパターンを有機溶剤で溶解し、Ｐｔ／Ｔｉ堆積膜
をリフトオフし、素子電極間隔Ｌ＝３μｍ、素子電極の
幅Ｗ＝０．３ｍｍを有する素子電極２，３を形成した
（図１９の（ｄ））。

【０３２７】工程−ｅ 素子電極２，３の上に上配線７３のホトレジストパター
ンを形成した後、厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ０．５μｍの
Ａｕを順次真空蒸着により堆積し、リフトオフにより不
要の部分を除去して、所望の形状の上配線７３を形成し
た（図２０の（ａ））。

【０３２８】工程−ｆ 膜厚０．１μｍのＣｒ膜１７３を真空蒸着により堆積・
パターニングし、その上に有機パラジウム化合物溶液
（ｃｃｐ４２３０奥野製薬（株）社製）をスピンナーに
より回転塗布、３００℃で１０分間の加熱焼成処理をし
た（図２０の（ｂ））。また、こうして形成された主元
素としてＰｄよりなる導電性膜４の膜厚は１０ｎｍ、シ
ート抵抗値は２×１０⁴Ω／口であった。

【０３２９】工程−ｇ Ｃｒ膜１７３および焼成後の導電性膜４を酸エッチャン
トによりエッチングしてリフトオフすることで所望のパ
ターンの導電性膜４を形成した（図２０の（ｃ））。

【０３３０】工程−ｈ コンタクトホール１７２部分以外にレジストを塗布する
ようなパターンを形成し、真空蒸着により厚さ５ｎｍの
Ｔｉ、厚さ０．５μｍのＡｕを順次堆積した。リフトオ
フにより不要の部分を除去することにより、コンタクト
ホール１７２を埋め込んだ（図２０の（ｄ））。

【０３３１】以上の工程により絶縁性基板７１上に下配
線７２、層間絶縁層１７１、上配線７３、素子電極２，
３、導電性膜４を形成した。

【０３３２】つぎに、以上のようにして作製した電子源
基板を用いて、電子源及び表示装置を構成した例を、図
１２と図１３を用いて説明する。

【０３３３】以上のようにして素子を作製した基板７１
をリアプレート８１上に固定した後、基板７１の５ｍｍ
上方に、フェースプレート８６（ガラス基板８３の内面
に蛍光膜８４とメタルバック８５が形成されて構成され
る）を支持枠８２を介し配置し、フェースプレート８
６、支持枠８２、リアプレート８１の接合部にフリット
ガラスを塗布し、大気中で４００℃で１０分焼成するこ
とで封着した。またリアプレート８１への基板７１の固
定もフリットガラスで行った。

【０３３４】本実施例において図１２の７４は電子放出
部形成前の電子放出素子（例えば、図５の（ｂ）に相当
する）であり、７２，７３はそれぞれＸ方向及びＹ方向
の素子配線である。

【０３３５】蛍光膜８４は、モノクロームの場合は蛍光
体のみから成るが、本実施例では蛍光体はストライプ形
状を採用した。先にブラックストライプを形成し、その
間隙部に各色蛍光体を塗布し、蛍光膜８４を作製した。
ブラックストライプの材料として通常良く用いられてい
る黒鉛を主成分とする材料を用いた。ガラス基板８３に
蛍光体を塗布する方法はスラリー法を用いた。

【０３３６】また、蛍光膜８４の内面側には通常メタル
バック８５が設けられる。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を真空蒸着するこ
とで作製した。

【０３３７】フェースプレート８６には、更に蛍光膜８
４の導電性を高めるため、蛍光膜８４の外面側に透明電
極（不図示）が設けられる場合もあるが、本実施例で
は、メタルバックのみで十分な導伝性が得られたので省
略した。

【０３３８】前述の封着を行う際、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なくてはいけないた
め、十分な位置合わせを行った。

【０３３９】以上のようにして完成したガラス容器内の
雰囲気を排気管（図示せず）を通じ真空ポンプにて排気
し、十分な真空度に達した後、容器外端子Ｄｏｘ１ない
しＤｏｘｍとＤｏｙ１ないしＤｏｙｎを通じ電子放出素
子７４の電極２，３間に電圧を印加し、導電性膜４をフ
ォーミング処理した。フォーミング処理の電圧波形は、
図６の（ｂ）と同様である。フォーミングで印加した最
大電圧は約５Ｖであった。

【０３４０】本実施例ではＴ₁を１ｍｓｅｃ、Ｔ₂を１０
ｍｓｅｃとし、約１．３×１０^-3Ｐａの真空雰囲気下で
行った。

【０３４１】次に、パネル内の圧力が１０^-6Ｐａ台に達
するまで排気を続けた後、パネルの排気管より、全圧が
１．３×１０^-4Ｐａとなるようにトルニトリルをパネル
内に導入し、維持した。容器外端子Ｄｏｘ１ないしＤｏ
ｘｍとＤｏｙ１ないしＤｏｙｎを通じ電子放出素子７４
の電極２，３間に、図２３と同様の波形で、６Ｖから電
圧を印加し始め、２０Ｖまで昇圧し、その後２０Ｖの一
定電圧で保持した。尚、素子電極２を０Ｖとし、素子電
極３に印加する電圧の最高値を２０Ｖとして活性化処理
を行った。

【０３４２】このように、フォーミング、活性化処理を
行い、電子放出素子７４を作製した。又、活性化の終了
は実施例１、２と同様に、印加電圧が一定（２０Ｖ）で
あり、素子電流が図９における領域ＩＩに相当する事を
確認した上で行った。

【０３４３】次にパネル全体を２５０℃に加熱しながら
排気し、室温まで降温して内部を１０^-7Ｐａ程度の圧力
とした後、不図示の排気管をガスバーナーで熱すること
で溶着し外囲器の封止を行った。

【０３４４】最後に封止後の圧力を維持するために、高
周波加熱法でゲッター処理を行った。

【０３４５】以上のように完成した本発明の画像表示装
置において、各電子放出素子には、容器外端子Ｄｏｘ１
ないしＤｏｘｍ、Ｄｏｙ１ないしＤｏｙｎを通じ、走査
信号及び変調信号を不図示の信号発生手段よりそれぞ
れ、印加することにより、電子放出させ、高圧端子８７
を通じ、メタルバック８５、あるいは透明電極（不図
示）に５ｋＶ以上の高圧を印加し、電子ビームを加速
し、蛍光膜８４に衝突させ、励起・発光させることで画
像を表示した。

【０３４６】本実施例における画像表示装置は、高輝度
で長時間にわたり安定で良好な画像を表示することがで
きた。

【０３４７】（実施例４） 本実施例では、テレビジョン放送をはじめとする種々の
画像情報源より提供される画像情報を表示できるように
構成した表示装置の一例を示す。図１２に示した実施例
３で作成した画像形成装置を図１２に示した駆動回路を
用いて、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示を行っ
た。

【０３４８】本表示装置においては、とりわけ表面伝導
型放出素子を電子ビーム源とするディスプレイパネルの
薄形化が容易なため、表示装置の奥行きを小さくするこ
とができる。それに加えて、表面伝導型放出素子を電子
ビーム源とするディプレイパネルは大画面化が容易で輝
度が高く視野角特性にも優れるため、本表示装置は臨場
感にあふれ迫力に富んだ画像を視認性良く表示する事が
可能である。

【０３４９】本実施例における表示装置は、ＮＴＳＣ方
式のテレビ信号に応じたテレビ画像を良好に、かつ安定
して表示することができた。

【０３５０】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明の電子放
出素子によれば、基体表面に対して垂直方向において、
間隙を挟んで対向したカーボン膜の最も接近した部位
が、基板および導電性膜よりも高い位置にあるため、そ
の間隙を境にして、電子放出素子の駆動時に、より高い
電圧が印加される側のカーボン膜または導電性膜あるい
は素子電極に落下し吸収され素子電流（Ｉｆ）の一部と
なる電子の量が減少する一方で、アノード電極へ到達す
る電子の量（放出電流Ｉｅ）が増え、効率の高い素子が
得られた。また、同時に、第一の間隙部に位置する基板
表面に印加される実効的な電界強度を弱めることができ
る。このため、安定な電子放出を長時間に渡り得ること
ができる。

【０３５１】また、少なくとも、上記間隙部内に露出し
た基板が凹部を有するため、その凹部の深さに依存し
て、間隙を挟んで対向したカーボン膜間の沿面距離がさ
らに増えるため、素子電流Ｉｆが抑制された高効率な素
子が得られると同時に、前記したカーボン膜間にかかる
強電界下でも、上記間隙間の放電現象によると見られる
特性の劣化が抑制された安定な素子が得られた。

【０３５２】さらに、上記間隙間に露出した基体の表面
は、放出された電子の照射にさらされると推測される
が、本発明の素子では、少なくとも、上記間隙部内に露
出した基板の凹部表面に炭素を有しているため、この電
子が照射されることに起因する基板凹部表面の帯電減少
によるとみられる素子特性の変動や劣化が抑制され、長
時間にわたり電子放出特性の安定な素子が得られた。

【０３５３】さらには、本発明の効率が高く、特性が長
時間に渡り安定な電子放出素子を用いた電子源あるいは
画像形成装置においては、多数の電子放出素子を配列し
ても効率に優れ、非常に安定であり、特に蛍光体を用い
た画像表示装置では、輝度が高く、長時間安定で消費電
力の低い画像表示装置が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子放出素子の模式図である。

【図２】本発明の電子放出素子の電子放出部近傍の拡大
模式図である。

【図３】本発明の電子放出素子の電子放出部近傍の拡大
模式図である。

【図４】測定評価機能を備えた真空処理装置の一例を示
す模式図である。

【図５】本発明の電子放出素子の製造工程の一部を示す
模式図である。

【図６】本発明の電子放出素子の製造工程の一部である
フォーミング工程に用いることのできる電圧波形の一例
を示す模式図である。

【図７】本発明の電子放出素子の製造工程の一部である
活性化工程を示す模式図である。

【図８】本発明の電子放出素子の製造工程の一部である
活性化工程に用いることのできる電圧波形の一例を示す
模式図である。

【図９】活性化工程中の素子電流Ｉｆの変化を示す模式
図である。

【図１０】本発明の電子放出素子の放出電流Ｉｅ、素子
電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆとの関係を示す模式図である。

【図１１】本発明の電子放出素子を単純マトリクス配置
した電子源に適用した一例を示す模式図である。

【図１２】本発明の電子放出素子を画像形成装置に適用
した一例を示す模式図である。

【図１３】蛍光膜の一例を示す模式図である。

【図１４】本発明の電子放出素子を画像形成装置に適用
した際に、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示を行
うための駆動回路のブロック図である。

【図１５】本発明の参考例５の活性化工程で用いた電圧
波形の模式図である。

【図１６】本発明の参考例６の活性化工程で用いた電圧
波形の模式図である。

【図１７】本発明の電子放出素子を単純マトリクス配置
した電子源に適用した一例を示す模式図である。

【図１８】図１７の折れ線Ａ−Ａ’に沿った部分断面模
式図である。

【図１９】本発明の実施例に係る電子源の製造工程の一
部を説明するための模式図である。

【図２０】本発明の実施例に係る電子源の製造工程の一
部を説明するための模式図である。

【図２１】従来の電子放出素子の構成を示す模式図であ
る。

【図２２】従来の別の電子放出素子の構成を示す模式図
である。

【図２３】本発明の活性化工程で好ましく用いられる印
加電圧の模式図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２、３ 電極 ４、４ａ、４ｂ 導電性膜 ５ 電子放出部 ６ 炭素あるいは炭素化合物 ７ 導電性膜に形成された第二の間隙 ８ 第二の間隙よりも狭い堆積物に形成された第一の間
隙 ２１ａ、２１ｂ 炭素を主成分とする堆積物 ２２ 堆積物の間隙近傍の基板に形成された炭素原子を
有する凹部 ４０ 素子電極２，３間の導電性膜４を流れる素子電流
Ｉｆを測定するための電流計 ４１ 電子放出素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電
源 ４２ 電子放出素子から放出された放出電流Ｉｅを測定
するための電流計 ４３ アノード電極４４に電圧を印加するための電圧電
源 ４４ 電子放出素子から放出される電子を加速および捕
捉するためのアノード電極 ７１ 電子源基板 ７２ Ｘ方向配線 ７３ Ｙ方向配線 ７４ 電子放出素子 ８１ リアプレート ８２ 支持枠 ８３ ガラス基板 ８４ 蛍光膜 ８５ メタルバック ８６ フェースプレート ８７ 高圧端子 ８８ 外囲器 ９１ 黒色部材 ９２ 蛍光体 １０１ 表示パネル １０２ 走査回路 １０３ 制御回路 １０４ シフトレジスタ １０５ ラインメモリ １０６ 同期信号分離回路 １０７ 変調信号発生器 ＶｘおよびＶａ 直流電源 １７１ 層間絶縁層 １７２ コンタクトホール １７３ Ｃｒ膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 久美 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 上野 理恵 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 山野辺 正人 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 (56)参考文献 特開 平11−144605（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−65703（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−120067（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−321254（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−46729（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/316 H01J 9/02 H01J 29/04 H01J 31/12

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体と、 前記基体表面上に、第一の間隙を置いて配された第一お
   よび第二のカーボン膜と、 前記第一および第二のカーボン膜のそれぞれに電気的に
   接続した第一および第二の電極と、を有する電子放出素
   子であって、 前記第一の間隙における前記第一のカーボン膜と第二の
   カーボン膜との間隔の最も狭い部分が、前記基体表面か
   ら離れて、前記基体表面より上方に配されており、 前記基体が、少なくとも、前記第一の間隙内において、
   凹部を有し、該凹部に炭素を有する、 ことを特徴とする電子放出素子。
2. 【請求項２】 基体と、 前記基体表面上に、第一の間隙を有するカーボン膜と、 前記カーボン膜に電気的に接続した第一および第二の電
   極と、を有する電子放出素子であって、 前記第一の間隙の最も狭い部分が、前記基体表面から離
   れて、前記基体表面より上方に配されており、 前記基体が、少なくとも、前記第一の間隙内において、
   凹部を有し、該凹部に炭素を有する、 ことを特徴とする電子放出素子。
3. 【請求項３】 前記カーボン膜が、前記第一および第二
   の電極間の前記基体表面上に配された導電性膜を介して
   前記電極に接続してな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。
4. 【請求項４】 前記導電性膜が第二の間隙を有し、且つ
   該第二の間隙内に、前記第一の間隙が配されてなること
   を特徴とする請求項３に記載の電子放出素子。
5. 【請求項５】 前記基体表面に対して垂直方向におい
   て、前記最も狭い部分が、前記導電性膜表面よりも前記
   基体表面の上方の位置にあることを特徴とする請求項３
   または４に記載の電子放出素子。
6. 【請求項６】 前記第一の間隙が、その間隔が１０ｎｍ
   以下の箇所を有することを特徴とする請求項１乃至５の
   いずれか一項に記載の電子放出素子。
7. 【請求項７】 前記第一の間隙が、その間隙が１〜５ｎ
   ｍの箇所を有することを特徴とする請求項６に記載の電
   子放出素子。
8. 【請求項８】 前記基体表面に対して垂直方向におい
   て、前記第一の間隙の最も狭い箇所を結ぶ延長線に存在
   する前記カーボン膜の厚みが、１００ｎｍ以下であるこ
   とを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の
   電子放出素子。
9. 【請求項９】 基体上に複数の電子放出素子を配列形成
   した電子源において、該電子放出素子が請求項１乃至８
   のいずれか一項に記載の電子放出素子を用いたことを特
   徴とする電子源。
10. 【請求項１０】 電子源と、該電子源から放出された電
    子を照射することで画像を形成する画像形成部材とを有
    する画像形成装置において、該電子源が請求項９に記載
    の電子源を用いたことを特徴とする画像形成装置。