JP3285736B2

JP3285736B2 - 画像形成装置

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Publication number: JP3285736B2
Application number: JP17622695A
Authority: JP
Inventors: 博光高瀬
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-07-12
Filing date: 1995-07-12
Publication date: 2002-05-27
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JPH0927288A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子線発生装置お
よびその応用である表示装置等の画像形成装置にかかわ
り、特に、電子線発生時の放電の防止手法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電子放出素子としては大別し
て２種類あり熱電子放出素子と冷陰極電子放出素子を用
いたものが知られている。冷陰極電子放出素子には電界
放出型（以下、「ＦＥ型」という。）、金属／絶縁層／
金属型（以下、「ＭＩＭ型」という。）や表面伝導型電
子放出素子等がある。ＦＥ型の例としてはＷ．Ｐ．Ｄｙ
ｋｅ＆Ｗ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ、”Ｆｉｅｌｄｅｍｉ
ｓｓｉｏｎ”、ＡｄｖａｎｃｅｉｎＥｌｅｃｔｒｏ
ｎＰｈｙｓｉｃｓ、８、８９（１９５６）あるいは
Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ、”ＰＨＹＳＩＣＡＬＰｒｏｐ
ｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｆｉｅｌｄ
ｅｍｉｓｓｉｏｎｃａｔｈｏｄｅｓｗｉｔｈｍｏ
ｌｙｂｄｅｎｉｕｍｃｏｎｅｓ”、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．、４７、５２４８（１９７６）等に開示された
ものが知られている。ＭＩＭ型の例としてはＣ．Ａ．Ｍ
ｅａｄ、”ＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＴｕｎｎｅｌ−
ＥｍｉｓｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅｓ”、Ｊ．Ａｐｐｌ
ｙ．Ｐｈｙｓ．、３２、６４６（１９６１）等に開示さ
れたものが知られている。

【０００３】表面伝導型電子放出素子型の例としては、
Ｍ．Ｉ．Ｅｌｉｎｓｏｎ、ＲａｄｉｏＥｎｇ．Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎＰｈｙｓ．、１０、１２９０（１９６５）
等に開示されたものがある。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、
前記エリンソン等によるＳｎＯ₂ 薄膜を用いたもの、Ａ
ｕ薄膜によるもの［Ｇ．Ｄｉｔｔｍｅｒ：”Ｔｈｉｎ
ＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ”、９３１７（１９７
２）］、Ｉｎ₂ Ｏ₃ ／ＳｎＯ₂ 薄膜によるもの［Ｍ．Ｈ
ａｒｔｗｅｌｌａｎｄＣ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔａｄ：”
ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＥＤＣｏｎｆ．”、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。これらの表面伝導型電子放出素子の
典型的な例として前述のＭ．ハートウェルの素子構成を
図１７に模式的に示す。同図において１は基板である。
２は導電性薄膜で、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３が形成
される。なお、図中の素子電極間隔Ｌは、０．５〜１ｍ
ｍ、Ｗ’は、０．１ｍｍで設定されている。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
う前に導電性薄膜２を予め通電フォーミングと呼ばれる
通電処理によって電子放出部３を形成するのが一般的で
あった。通電フォーミングとは前記導電性薄膜２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１
Ｖ／分程度を印加通電し、導電性薄膜を局所的に破壊、
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３を形成することである。この電子放出部３
は導電性薄膜２の一部に発生した亀裂であり、その亀裂
付近から電子放出が行われる。前記通電フォーミング処
理をした表面伝導型電子放出素子は、上述導電性薄膜２
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３より電子を放出せしめるものである。上述の
表面伝導型放出素子は、構造が単純で製造も容易である
ことから、大面積にわたり多数素子を配列形成できる利
点がある。そこで、この特徴を生かせるようないろいろ
な応用が研究されている。例えば、荷電ビーム源、表示
装置等があげられる。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、後述するように、並列に表面
伝導型電子放出素子を配列し、個々の素子の両端を配線
（共通配線とも呼ぶ）で、それぞれ結線した行を多数行
配列した電子源があげられる（例えば、特開昭６４−０
３１３３２、特開平１−２８３７４９、２−２５７５５
２等）。また、特に、表面伝導型放出素子を多数配置し
た電子源と、電子源より放出された電子によって可視光
を発光せしめる蛍光体とを組み合わせた表示装置である
画像形成装置の例として例えば、ＵＳＰ５０６６８８３
があげられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電子放出素子を利用し
た画像形成装置たとえば、フラットテレビにおいては画
素欠陥のない表示画像を安定に提供することが望まれ
る。しかしながら、表面伝導型電子放出素子において上
述のフォーミングと呼ばれる通電処理により電子放出部
が形成される時、および、または、電子放出時に素子電
極間が局部的に加熱される結果、表面伝導型放出素子を
構成する部材中に混入しているガス、または、表面伝導
型電子放出素子表面に吸着しているガスが外部に放出さ
れる場合があった。また、画像形成装置内は真空に保持
されるが、Ｈ₂ Ｏ、Ｈ₂ などのガスが残留している場合
があった。これらの画像形成装置内に放出されたガス、
または画像形成装置内に残留するガスは、表面伝導型放
出素子から放出された電子との衝突により正にイオン化
されるため、表面伝導型電子放出素子の負電極に向かっ
て加速され、当該電極を破損し画素欠陥を発生する。し
たがって、電子放出時に当該電子線発生装置内にガスが
存在しないことまたは、ガスが存在しても電極を破損し
ない条件で動作させることが望まれていた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した課題
を解決するために鋭意検討を行ってなされたものであ
り、下述する構成のものである。即ち、本発明の画像形
成装置は、表面伝導型電子放出素子を複数配した電子源
基板と蛍光膜とを、その内部に備えると共に、その内部
にＨ ₂ Ｏガスが存在する外囲器を有する画像形成装置に
おいて、前記外囲器内にＨ ₂ Ｏよりも第１イオン化ポテ
ンシャルが低く、多原子から構成される無機ガスが封入
されていることを特徴とする。ここで、前記無機ガスの
イオン化ポテンシャルと解離エネルギーの差が当該外囲
器内の電子源の負電極を形成する材料の仕事関数の２倍
以下であることが好ましい。前記無機ガスとしては、Ｎ
Ｏ、ＮＯ ₂ 、ＮＨ ₃ から選ばれるガス、又はこれらの混合
ガスを挙げることができる。前記無機ガスの封入圧力
は、１×１０ ^-7 Ｔｏｒｒないし１×１０ ^-5 Ｔｏｒｒが好
ましい。本発明の画像形成装置によれば、素子駆動中の
放電が抑制される。従って、放電による素子へのダメー
ジを低減した、画素欠陥のない画像形成装置を製造する
ことが可能となる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明について詳述す
る。まず、表面伝導型電子放出素子について説明する。
図１は、本発明を適用可能な平面型表面伝導型電子放出
素子の構成を示す模式図であり、図１ａは平面図、図１
ｂは断面図である。図１において１は基板、２および３
は素子電極、４は導電性薄膜、５は電子放出部である。
基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不純物含有量を
減少したガラス、青板ガラス、青板ガラスにスパッタ法
等により形成したＳｉＯ₂ を積層したガラス基板及びア
ルミナ等のセラミックス及びＳｉ基板等を用いることが
できる。対向する素子電極２および３の材料としては、
一般的な導体材料を用いることができる。例えばＮｉ、
Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ
等の金属あるいはこれらの合金及びＰｄ、Ａｇ、Ａｕ、
ＲｕＯ₂ 、Ｐｄ−Ａｇ等の金属あるいは金属酸化物とガ
ラス等から構成される印刷導体、Ｉｎ₂ Ｏ₃ −ＳｎＯ₂
等の透明導電体及びポリシリコン等の半導体材料等から
適宜選択することができる。素子電極間隔Ｌ、素子電極
長さＷ、導電性薄膜４の形状等は、応用される形態等を
考慮して、設計される。素子電極間隔Ｌは、好ましく
は、数千オングストロームから数百マイクロメートルの
範囲とすることができ、より好ましくは、素子電極間に
印加する電圧等を考慮して数マイクロメートルから数十
マイクロメートルの範囲とすることができる。素子電極
長さＷは、電極の抵抗値、電子放出特性を考慮して、数
マイクロメートルから数百マイクロメートルの範囲とす
ることができる。素子電極２および３の膜厚ｄは、数百
オングストロームから数マイクロメートルの範囲とする
ことができる。なお、平面型表面伝導型電子放出素子は
図１に示した構成でなく、基板１上に、導電性薄膜４、
対向する素子電極２および３の順に積層した構成とする
こともできる。

【０００７】導電性薄膜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および３へのステッ
プカバレージ、素子電極２および３間の抵抗値及び後述
するフォーミング条件等を考慮して適宜設定されるが、
通常は、数オングストロームから数千オングストローム
の範囲とするのが好ましく、より好ましくは１０Åより
５００Åの範囲である。その抵抗値は、Ｒｓが１０² か
ら１０⁷ Ω／□の値である。なおＲｓは、厚さがｔ、幅
がｗで長さがｌの薄膜の抵抗Ｒを、Ｒ＝Ｒｓ（ｌ／ｗ）
とおいたときに現れる。本願明細書において、フォーミ
ング処理については、通電処理を例に挙げて説明する
が、フォーミング処理はこれに限られるものではなく、
膜に亀裂を生じさせて高抵抗状態を形成する処理を包含
するものである。

【０００８】導電性薄膜４を構成する材料は、Ｐｄ、Ｐ
ｔ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆ
ｅ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｂ等の金属、ＰｄＯ、Ｓ
ｎＯ₂、Ｉｎ₂ Ｏ₃ 、ＰｂＯ、Ｓｂ₂ Ｏ₃ 等の酸化物、
ＨｆＢ₂ 、ＺｒＢ₂ 、ＬａＢ₆、ＣｅＢ₆ 、ＹＢ₄ 、Ｇ
ｄＢ₄ 等の硼化物、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＴａＣ、
ＳｉＣ、ＷＣ等の炭化物、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ等の
窒化物、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体、カーボン等の中から適
宜選択される。

【０００９】前記の微粒子膜とは、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。微
粒子の粒径は、数オングストロームから数千オングスト
ロームの範囲、好ましくは１０Åより２００Åの範囲で
ある。なお、本明細書では頻繁に「微粒子」という言葉
を用いるので、その意味について説明する。小さな粒子
を「微粒子」と呼び、これよりも小さなものを「超微粒
子」と呼ぶ。「超微粒子」よりもさらに小さく原子の数
が数百個程度以下のものを「クラスター」と呼ぶことは
広く行われている。しかしながら、それぞれの境は厳密
なものではなく、どの様な性質に注目して分類するかに
より変化する。また「微粒子」と「超微粒子」を一括し
て「微粒子」と呼ぶ場合もある。例えば「実験物理学講
座１４表面・微粒子」（木下是雄編、共立出版１
９８６年９月１日発行）では次のように記述されてい
る。「本稿で微粒子と言うときにはその直径がだいたい
２〜３μｍ程度から１０ｎｍ程度までとし、特に超微粒
子というときは粒径が１０ｎｍ程度から２〜３ｎｍ程度
までを意味することにする。両者を一括して単に微粒子
と書くこともあってけっして厳密なものではなく、だい
たいの目安である。粒子を構成する原子の数が２個から
数十〜数百個程度の場合はクラスターと呼ぶ。」（１９
５ページ２２〜２６行目）一方、新技術開発事業団の”林・超微粒子プロジェク
ト”での「超微粒子」の定義は、粒径の下限はさらに小
さく、次のようなものであった。「創造科学技術推進精
度の”超微粒子プロジェクト”（１９８１〜１９８６）
では、粒子の大きさ（径）がおよそ１〜１００ｎｍの範
囲のものを”超微粒子”（ｕｌｔｒａｆｉｎｅｐａ
ｒｔｉｃｌｅ）と呼ぶことにした。すると１個の超微粒
子はおよそ１００〜１０８個くらいの原子の集合体とい
う事になる。原子の尺度でみれば超微粒子は大〜巨大粒
子である。」（「超微粒子−創造科学技術−」林主税、
上田良二、田崎明編；三田出版１９８８年２ペー
ジ１〜４行目）「超微粒子よりさらに小さいもの、すな
わち原子が数個〜数百個で構成される１個の粒子は、ふ
つうクラスターと呼ばれる」（同書２ページ１２〜１３
行目）。

【００１０】上記のような一般的な呼び方をふまえて、
本明細書において「微粒子」とは多数の原子・分子の集
合体で、粒径の下限は数Å〜１０Å程度、上限は数μｍ
程度のものを指すこととする。

【００１１】電子放出部５は、導電性薄膜４の一部に形
成された高抵抗の亀裂により構成され、導電性薄膜４の
膜厚、膜質、材料及び後述する通電フォーミング等の手
法等に依存したものとなる。電子放出部５の内部には、
数オングストロームから数百オングストロームの範囲の
粒径の導電性微粒子が存在する場合もある。この導電性
微粒子は、導電性薄膜４を構成する材料の元素の一部、
あるいは全ての元素を含有するものとなる。電子放出部
５及びその近傍の導電性薄膜４には、炭素及び炭素化合
物を有することもできる。上述の表面伝導型電子放出素
子の製造方法としては様々な方法があるが、その一例を
図２に模式的に示す。以下、図１及び図２を参照しなが
ら製造方法の一例について説明する。図２においても、
図１に示した部位と同じ部位には図１に付した符号と同
一の符号を付している。１）基板１を洗剤、純水および有機溶剤等を用いて十分
に洗浄し、真空蒸着法、スパッタ法等により素子電極材
料を堆積後、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて
基板１上に素子電極２および３を形成する（図２
（ａ））。２）素子電極２および３を設けた基板１に、有機金属溶
液を塗布して、有機金属薄膜を形成する。有機金属溶液
には、前述の導電性膜４の材料の金属を主元素とする有
機金属化合物の溶液を用いることができる。有機金属薄
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、導電性薄膜４を形成する（図２
（ｂ））。ここでは、有機金属溶液の塗布法を挙げて説
明したが、導電性薄膜４の形成はこれに限られるもので
なく、真空蒸着法、スパッタ法、化学的気相堆積法、分
散塗布法、ディッピング法、スピンナー法等を用いるこ
ともできる。３）つづいて、フォーミング工程を施す。このフォーミ
ング工程の方法の一例として通電処理による方法を説明
する。素子電極２および３間に、不図示の電源を用い
て、通電を行うと、導電性薄膜４の部位に、構造の変化
した電子放出部５が形成される。（図２（ｃ））。通電
フォーミングによれば導電性薄膜４に局所的に破壊、変
形もしくは変質等の構造の変化した部位が形成される。
該部位が電子放出部５を構成する。通電フォーミングの
電圧波形の例を図３に示す。

【００１２】電圧波形は、パルス波形が、好ましい。こ
れにはパルス波高値を定電圧としたパルスを連続的に印
加する図３ａに示した手法とパルス波高値を増加させな
がら、電圧パルスを印加する図３ｂに示した手法があ
る。図３ａにおけるＴ₁ 及びＴ₂ は電圧波形のパルス幅
とパルス間隔である。通常Ｔ ₁ は１マイクロ秒〜１０ミ
リ秒、Ｔ₂ は、１０マイクロ秒〜１００ミリ秒の範囲で
設定される。三角波の波高値（通電フォーミング時のピ
ーク電圧）は、表面伝導型電子放出素子形態に応じて適
宜選択される。このような条件のもと、例えば、数秒か
ら数十分間電圧を印加する。パルス波形は三角波に限定
されるものではなく、矩形波など所望の波形を採用する
ことができる。図３ｂにおけるＴ₁ 及びＴ₂ は、図３ａ
に示したのと同様とすることができる。三角波の波高値
（通電フォーミング時のピーク電圧）は、例えば０．１
Ｖステップ程度づつ、増加させることができる。通電フ
ォーミング処理の終了は、パルス間隔Ｔ₂ 中に、導電性
薄膜２を局所的に破壊、変形しない程度の電圧を印加
し、電流を検知することができる。例えば０．１Ｖ程度
の電圧印加により流れる素子電流を測定し、抵抗値を求
めて、１ＭΩ以上の抵抗を示した時、通電フォーミング
を終了させる。

【００１３】フォーミングを終えた素子には活性化工程
と呼ばれる処理を施すのが好ましい。活性化工程とは、
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。活性化工程は、例えば、有機物
質のガスを含有する雰囲気下で、通電フォーミングと同
様に、パルスの印加を繰り返すことで行うことができ
る。この雰囲気は、例えば油拡散ポンプやロータリーポ
ンプなどを用いて真空容器内を排気した場合に雰囲気内
に残留する有機ガスを利用して形成することができる
他、イオンポンプなどにより一旦十分に排気した真空中
に適当な有機物質のガスを導入することによっても得ら
れる。このときの好ましい有機物質のガス圧は、前述の
応用の形態、真空容器の形状や、有機物質の種類などに
より異なるため場合に応じ適宜設定される。適当な有機
物質としては、アルカン、アルケン、アルキン等の脂肪
族炭化水素類、芳香族炭化水素類、アルコール類、アル
デヒド類、ケトン類、アミン類、フェノール、カルボン
酸、スルホン酸等の有機酸類等を挙げることができ、具
体的には、メタン、エタン、プロパンなどＣ_n Ｈ_2n+2で
表される飽和炭化水素、エチレン、プロピレンなどＣ_n
Ｈ_2n等の組成式で表される不飽和炭化水素、ベンゼン、
トルエン、メタノール、エタノール、ホルムアルデヒ
ド、アセトアルデヒド、アセトン、メチルエチルケト
ン、メチルアミン、エチルアミン、フェノール、蟻酸、
酢酸、プロピオン酸等が使用できる。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。活性化工程の終了判定は、
素子電流Ｉｆと放出電流Ｉｅを測定しながら、適宜行
う。なおパルス幅、パルス間隔、パルス波高値などは適
宜設定される。ここで炭素及び炭素化合物とは、例えば
グラファイト（いわゆるＨＯＰＧ、ＰＧ、ＧＣを包含す
る。ＨＯＰＧはほぼ完全なグラファイトの結晶構造、Ｐ
Ｇは結晶粒が２００Å程度で結晶構造がやや乱れたも
の、ＧＣは結晶粒が２０Å程度になり結晶構造の乱れが
さらに大きくなったものを指す。）、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）であり、そ
の膜厚は、５００Å以下とするのが好ましく、３００Å
以下とすることがより好ましい。

【００１４】このような工程を経て得られた電子放出素
子は、さらに安定化工程を行うことが好ましい。この工
程は、真空容器内の有機物質排気する工程である。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のが好ましい。具体的には、ソープ
ションポンプ、イオンポンプ等の真空排気装置を挙げる
ことができる。前記活性化の工程で、排気装置として油
拡散ポンプやロータリーポンプを用い、これから発生す
るオイル成分に由来する有機ガスを用いた場合は、この
成分の分圧を極力低く抑える必要がある。真空容器内の
有機成分の分圧は、上記の炭素及び炭素化合物がほぼ新
たに堆積しない分圧で１×１０^-8Ｔｏｒｒ以下が好まし
く、さらには１×１０^-10 Ｔｏｒｒ以下が特に好まし
い。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のが好ましい。この
ときの加熱条件は、８０〜２００℃で５時間以上が望ま
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、電子放出素子の構成などの諸条件により
適宜選ばれる条件により行う。真空容器内の圧力は極力
低くすることが必要で、１〜３×１０^-7Ｔｏｒｒ以下が
好ましく、１×１０^-8Ｔｏｒｒ以下が特に好ましい。

【００１５】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、真空度自体は多少低下しても十分安定な
特性を維持することができる。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、結果として素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉ
ｅが安定する。

【００１６】上述した工程を経て得られた本発明を適用
可能な電子放出素子の基本特性について図４、図５を参
照しながら説明する。図４は、真空処理装置の一例を示
す模式図であり、この真空処理装置は測定評価装置とし
ての機能をも兼ね備えている。図４においても、図１に
示した部位と同じ部位には図１に付した符号と同一の符
号を付している。図４において、５５は真空容器であ
り、５６は排気ポンプである。真空容器５５内には電子
放出素子が配されている。即ち、１は電子放出素子を構
成する基体であり、２及び３は素子電極、４は導電性薄
膜、５は電子放出部である。５１は、電子放出素子に素
子電圧Ｖｆを印加するための電源、５０は素子電極２、
３間の導電性薄膜４を流れる素子電流Ｉｆを測定するた
めの電流計、５４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である。５３
はアノード電極５４に電圧を印加するための高圧電源、
５２は素子の電子放出部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。一例として、アノード
電極の電圧を１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲とし、アノード電
極と電子放出素子との距離Ｈを２ｍｍ〜８ｍｍの範囲と
して測定を行うことができる。真空容器５５内には、不
図示の真空計等の真空雰囲気下での測定に必要な機器が
設けられていて、所望の真空雰囲気下での測定評価を行
えるようになっている。排気ポンプ５６は、ターボポン
プ、ロータリーポンプからなる通常の高真空装置系と更
に、イオンポンプ等からなる超高真空装置系とにより構
成されている。ここに示した電子源基板を配した真空処
理装置の全体は、不図示のヒーターにより２００度まで
加熱できる。従って、この真空処理装置を用いると、前
述の通電フォーミング以降の工程も行うことができる。
図５は、図４に示した真空処理装置を用いて測定された
放出電流Ｉｅ、素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆの関係を模
式的に示した図である。図５においては、放出電流Ｉｅ
が素子電流Ｉｆに比べて著しく小さいので、任意単位で
示している。なお、縦・横軸ともリニアスケールであ
る。図５からも明らかなように、本発明を適用可能な表
面伝導型電子放出素子は、放出電流Ｉｅに関して対する
三つの特徴的性質を有する。すなわち（ｉ）本素子はある電圧（しきい値電圧と呼ぶ図５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。つまり、放出電流Ｉｅ
に対する明確なしきい値電圧Ｖｔｈを持った非線形素子
である。（ii）放出電流Ｉｅが素子電圧Ｖｆに単調増加依存する
ため、放出電流Ｉｅは素子電圧Ｖｆで制御できる。（iii)アノード電極５４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５４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。以上の説明より理解されるよ
うに、本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子は、
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。この性質を利用すると複数の電子放出素子を
配して構成した電子源、画像形成装置等、多方面への応
用が可能となる。図５においては、素子電流Ｉｆが素子
電圧Ｖｆに対して単調増加する（以下、「ＭＩ特性」と
いう。）例を実線で示した。素子電流Ｉｆが素子電圧Ｖ
ｆに対して電圧制御型負性抵抗特性（以下、「ＶＣＮＲ
特性」という。）を示す場合もある（不図示）。これら
の特性は、前述の工程を制御することで制御できる。電
子放出素子の配列については、種々のものが採用でき
る。一例として、電子放出素子をＸ方向及びＹ方向に行
列状に複数個配し、同じ行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ものが挙げられる。このよう
なものはいわゆる単純マトリックス配置である。

【００１７】本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素
子については、前述したとおり（ｉ）ないし（ｉｉｉ）
の特性がある。すなわち、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巾で制御でき
る。一方、しきい値電圧以下では、電子は殆ど放出され
ない。この特性によれば、多数の電子放出素子を配置し
た場合においても、個々の素子に、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
を選択して電子放出量を制御できる。以下この原理に基
づき、本発明を適用可能な電子放出素子を複数配して得
られる電子源基板について、図６を用いて説明する。図
６において、７１は電子源基板、７２はＸ方向配線、７
３はＹ方向配線である。７４は表面伝導型電子放出素
子、７５は結線である。ｍ本のＸ方向配線７２は、Ｄ
_x1、Ｄ_x2、・・・Ｄ_xm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、巾は、適宜設計さ
れる。Ｙ方向配線７３は、Ｄ_y1、Ｄ_y2、・・・Ｄ_ynのｎ
本の配線よりなり、ｘ方向配線７２と同様に形成され
る。これらｍ本のＸ方向配線７２とｎ本のＹ方向配線７
３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）。不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷法、ス
パッタ法等を用いて形成されたＳｉＯ₂ 等で構成され
る。例えば、Ｘ方向配線７２を形成した基板７１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７
２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。表面伝導型放出素子７４を構成する一対
の電極（不図示）は、ｍ本のＸ方向配線７２とｎ本のＹ
方向配線７３と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。配線７２と配線７３を構成す
る材料、結線７５を構成する材料及び一対の素子電極を
構成する材料は、その構成元素の一部あるいは全部が同
一であっても、またそれぞれ異なってもよい。これら材
料は、例えば前述の素子電極の材料より適宜選択され
る。素子電極を構成する材料と配線材料が同一である場
合には、素子電極に接続した配線は素子電極ということ
もできる。Ｘ方向配線７２には、Ｘ方向に配列した表面
伝導型放出素子７４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７３には、Ｙ方向に配列した表面伝導型放出
素子７４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。

【００１８】このような単純な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７と図８を
用いて説明する。図７は、画像形成装置の表示パネルの
一例を示す模式図であり、図８は図７に示した電子放出
素子を複数配した電子源基板の拡大図を示す。図７にお
いて、７１は電子放出素子を複数配した電子源基板、８
１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８４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
であり該支持枠８２には、リアプレート８１、フェース
プレート８６がフリットガラス等を用いて接続されてい
る。８８は外囲器であり、例えば大気中あるいは、窒素
中で、４００〜５００度の温度範囲で１０分以上焼成す
ることで、封着して構成される。７４は、図１における
電子放出部５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。

【００１９】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で構成され
る。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は不要とすることがで
きる。即ち、基板７１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８
８を構成しても良い。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８８を構成することもできる。

【００２０】図１０は、蛍光膜を示す模式図である。図
７に示された蛍光膜８４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。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あるいは
ブラックマトリクスなどと呼ばれる黒色導電材１０１と
蛍光体１０２とから構成することができる。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１０２
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。ブラックストライプ
の材料としては、通常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、光の透過及び反射が少ない
材料を用いることができる。図７においてガラス基板８
３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、印刷法等が採用できる。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８６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
ること等であり、その後Ａｌを真空蒸着等を用いて堆積
させることで作製できる。フェースプレート８６には、
更に蛍光膜８４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。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。

【００２１】次に、はしご型配置の電子源及び画像形成
装置について図１１及び図１２を用いて説明する。図１
１は、はしご型配置の電子源の一例を示す模式図であ
る。図１１において、１１０は電子源基板、１１１は電
子放出素子である。１１２Ｄ_x1〜Ｄ_x10 は、電子放出
素子１１１を接続するための共通配線である。電子放出
素子１１１は、基板１１０上に、Ｘ方向に並列に複数個
配されている（これを素子行と呼ぶ）。この素子行が複
数個配されて、電子源を構成している。各素子行の共通
配線間に駆動電圧を印加することで、各素子行を独立に
駆動させることができる。即ち、電子ビームを放出させ
たい素子行には、電子放出しきい値以上の電圧を、電子
ビームを放出しない素子行には、電子放出しきい値以下
の電圧を印加する。各素子行間の共通配線Ｄ_x2〜Ｄ_x9
は、例えばＤ_x2、Ｄ_x3を同一配線とすることもできる。

【００２２】図１２は、はしご型配置の電子源を備えた
画像形成装置におけるパネル構造の一例を示す模式図で
ある。１２２はグリッド電極、１２３は電子が通過する
ため空孔、１２５はＤ_ox1 、Ｄ_ox2 、・・・Ｄ_oxm より
なる容器外端子である。１２４は、グリッド電極１２２
と接続されたＧ１、Ｇ２、・・・Ｇｎからなる容器外端
子、１２０は各素子行間の共通配線を同一配線とした電
子源基板である。ここに示した画像形成装置と、図７に
示した単純マトリクス配置の画像形成装置との大きな違
いは、電子源基板１２０とフェースプレート１２１の間
にグリッド電極１２２を備えているか否かである。図１
２においては、基板１２０とフェースプレート１２１の
間には、グリッド電極１２２が設けられている。グリッ
ド電極１２２は、表面伝導型放出素子から放出された電
子ビームを変調するためのものであり、はしご型配置の
素子行と直交して設けられたストライプ状の電極に電子
ビームを通過させるため、各素子に対応して１個ずつ円
形の開口１２３が設けられている。グリッドの形状や設
置位置は図１２に示したものに限定されるものではな
い。例えば、開口としてメッシュ状に多数の通過口を設
けることもでき、グリッドを表面伝導型放出素子の周囲
や近傍に設けることもできる。グリッド容器外端子１２
４およびグリッド容器外端子１２５は、不図示の制御回
路と電気的に接続されている。

【００２３】本例の画像形成装置では、素子行を１列ず
つ順次駆動（走査）していくのと同期してグリッド電極
列に画像１ライン分の変調信号を同時に印加する。これ
により、各電子ビームの蛍光体への照射を制御し、画像
を１ラインずつ表示することができる。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。電子放出素子の配
列が単純マトリックスである場合の表面伝導型電子放出
素子の断面図を図９に示す。図９は図８に示した表面伝
導型電子放出素子の、一対の素子電極と接続されたＸ方
向配線およびＹ方向配線をまたぐＡ−Ａ’の断面図であ
る。図９において９１は絶縁性基板、９２はＹ方向配
線、９３はＸ方向配線、９４は層間絶縁層、９６および
９７は素子電極、９８は電子放出部形成薄膜、９８ａは
電子放出部を示している。層間絶縁層９４をアルゴンス
パッタ法により形成したＳｉＯ₂ とする場合、当該絶縁
層中にアルゴンガスが混入する。フォーミング時または
素子駆動時の局所的な発熱により当該絶縁層中に含まれ
るアルゴンが外囲器８８内に放出されると、これが電子
放出部から放出された電子との衝突により正にイオン化
される現象が起きる場合がある。ここで、アルゴンイオ
ンが負電極材料の仕事関数より大きいエネルギーを持っ
て負電極に到達する場合、負電極から２次電子を発生さ
せる。この２次電子はさらに外囲器８８内のアルゴンを
イオン化させ、該アルゴンイオンはさらに負電極から２
次電子を発生させる。この様な機構で２次電子数がなだ
れ的に増大する場合には、層間絶縁層９４から放出され
たアルゴンガスと電子放出部から放出された電子との衝
突は、連続した放電現象の一因となりうる。また、外囲
器８８内に残留しているガスが電子放出部から放出され
た電子との衝突により正にイオン化される場合もある。
この場合は、これらのイオンが負電極材料の仕事関数よ
り大きいエネルギーを持って負電極に到達し、該負電極
から２次電子を発生させる可能性がある。この２次電子
はさらに外囲器８８内の他の残留ガスをイオン化し、新
たに生成したイオンは負電極から２次電子を放出させる
現象を繰り返して２次電子数はなだれ的に増大すると考
えると、外囲器８８内に残留するガスと電子放出部から
放出された電子との衝突は、連続した放電現象の一因と
なりうる。また、この現象は、表面伝導型電子放出素子
の配置がはしご型配置の場合でも起きる可能性がある。
ここで、層間絶縁層９４から放出されるアルゴンまた
は、外囲器８８内に残留するガスよりもイオン化されや
すい多原子から構成される放電抑止ガスが外囲器８８内
に存在する場合を考えてみる。この場合には、アルゴン
または残留ガスに代わって当該放電抑止ガスがイオン化
される。この時イオン化ポテンシャルが解離エネルギー
より大きい場合は他の放電抑止ガスを解離させる。さら
に、負電極近傍に到達した時そのエネルギーが該負電極
の仕事関数より大きい場合には該電極から電子を引き出
してアルゴンイオンは中性化されて負電極に到達する。
負電極表面に到達した時点でのエネルギーが該電極の仕
事関数より低い場合には該電極から２次電子を発生させ
ることはない。その結果放電現象は回避されることが予
想される。

【００２４】エネルギーの観点からは次のように説明で
きる。放電抑止ガスのイオン化ポテンシャルをＥｉ、負
電極材料の仕事関数をφ、放電抑止ガスの解離エネルギ
ーをＥｄと定義する。Ｅｉはアルゴン、または残留ガス
または、電子放出部７４近傍からの外囲器８８内に放出
されるイオンのイオン化ポテンシャルより小さいため、
放出電子との衝突によりアルゴンまたは残留ガスまたは
電子放出部７４から外囲器８８内に放出されたガスがイ
オン化された場合でも、放電抑止ガスのイオン化に置き
換えられる。該放電抑止ガスイオンは他の分子を解離さ
せＥｉ−Ｅｄのエネルギーを持つイオンとなる。さらに
負電極表面に近接すると、Ｅｉ−Ｅｄ＞φの場合、表面
から電子を引き出してＥｉ−Ｅｄ−φのエネルギーを持
つ中性分子として該電極表面に到達する。このとき、Ｅ
ｉ−φ−Ｅｄ＜φになる場合は、該電極表面に到達して
も該電極からの２次電子放出は起こらず、連続した放電
は抑止される。上記効果を達成するための手段として
は、放電を抑止する無機ガスを常時外囲器８８内に存在
させる手段と、少なくともアルゴンまたは残留ガスまた
は電子放出部７４から外囲器８８内に放出されるイオン
がイオン化される時に存在させる手段が可能である。

【００２５】すなわち、第１の発明は該電子線発生装置
内に上記放電抑止ガス、具体的には、Ｈ₂ 、Ｎ₂ 、Ｃ
Ｏ、ＣＯ₂ 、ＮＯ、ＮＯ₂ 、ＮＨ₃ から選ばれたガスま
たは当該ガスを適宜混合したガスを外囲器８８内に封入
することを特徴とする画像形成装置を提供するものであ
る。ここで放電抑止ガスとしては上述のポテンシャル関
係を満足していればよく、上記の成分に限られるもので
はない。

【００２６】第２の発明は層間絶縁層９４中または、電
子放出部（図７，８では７４、図９では９８ａ）に上記
放電抑止ガスすなわちＨ₂ 、Ｎ₂ 、ＣＯ、ＣＯ₂ 、Ｎ
Ｏ、ＮＯ₂ 、ＮＨ₃ から選ばれたガスまたは当該ガスを
適宜混合したガスを含む構成とした画像形成装置を提供
するものである。ここで放電抑止ガスとしては、上述の
ポテンシャル関係すなわち、Ｅｉ−Ｅｄ＜２φを満足し
ていればよく、上記の成分に限られるものではない。

【００２７】当該画像形成装置内に存在しているガスと
しては、例えば当該画像形成装置で放電が発生した際に
４重極質量分析計で検出されたＮ₂（第１イオン化ポテ
ンシャル１５．６ｅＶ、以下同）、Ｈ₂（１５．５ｅ
Ｖ）、Ｈ₂Ｏ（１２．６ｅＶ）、ＣＨ₄（１２．８ｅＶ）
および、Ａｒ（１５．７６ｅＶ）が挙げられる。この中
で最もイオン化ポテンシャルの低いＨ ₂ Ｏよりも第１イ
オン化ポテンシャルの低く多原子から構成されるガスと
してはＮＨ₃（１０．１５ｅＶ）、ＮＯ（９．２６ｅ
Ｖ）、ＮＯ₂（９．７５ｅＶ）が挙げられる。Ａｒが主
として検出される場合には、ＣＯ₂（１３．７８ｅ
Ｖ）、ＣＯ（１４．０ｅＶ）も挙げられる。さらには、
当該ガスよりもイオン化ポテンシャルが高いガスが外囲
器８８内に存在する場合はＨ₂、Ｎ₂も挙げられる。これ
に対して解離エネルギーＥｄはＨ₂（４．５ｅＶ）、Ｎ₂
（９．７ｅＶ）、ＣＯ₂（５．５ｅＶ）、ＣＯ（７．５
ｅＶ）、ＮＨ₃（４．６ｅＶ）、ＮＯ（６．５ｅＶ）、
ＮＯ₂（３．２ｅＶ）になる。負電極としてＰｔを使う
場合、その仕事関数φは５．７ｅＶであるのでＮ₂、
Ｈ₂、ＣＯ₂、ＣＯ、ＮＨ₃、ＮＯ₂、ＮＯはＥｉ−Ｅｄ＜
２φを満足する放電を抑止するガスになる可能性が高
い。

【００２８】第１の発明においては、画像形成装置内に
封入するガス圧は任意に選ぶことが可能である。しかし
ながら、封入圧力が高すぎる場合には、該電子源から放
出された電子と封入ガスとの衝突が頻発し、放出電子を
有効に利用できなくなるという問題を持つ。適する封入
ガス圧力としては１×１０のマイナス７乗Ｔｏｒｒから
１×１０のマイナス５乗Ｔｏｒｒの範囲にあればよい。
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
１３を用いて説明する。図１３において、１３１は画像
表示パネル、１３２は走査回路、１３３は制御回路、１
３４はシフトレジスタ、１３５はラインメモリ、１３６
は同期信号分離回路、１３７は変調信号発生器、Ｖｘお
よびＶａは直流電圧源である。表示パネル１３１は、端
子Ｄ_ox1 乃至Ｄ_oxm 、端子Ｄ_oy1 乃至Ｄ_oyn 、及び高圧
端子Ｈｖを介して外部の電気回路と接続している。端子
Ｄ_ox1 乃至Ｄ_oxm には、表示パネル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ックス配線さ
れた表面伝導型電子放出素子群を一行（Ｎ素子）ずつ順
次駆動する為の走査信号が印加される。

【００２９】端子Ｄ_y1ないしＤ_ynには、前記走査信号に
より選択された一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Ｈｖには、直流電圧源Ｖａより、例えば１
０Ｋ［Ｖ］の直流電圧が供給されるが、これは表面伝導
型電子放出素子より出力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。

【００３０】走査回路１３２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
０［Ｖ］（グランドレベル）のいずれか一方を選択し、
表示パネル１３１の端子Ｄ_x1ないしＤ_xm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１３３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。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。制御回路１３３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１３３は、同期信号分
離回路１３６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Ｔｍ
ｒｙの各制御信号を発生する。

【００３１】同期信号分離回路１３６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為の回路で、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１３６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。一方、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１３４に
入力される。シフトレジスタ１３４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１３３より送られる制御信号Ｔｓｆｔに基づいて
動作する（すなわち、制御信号Ｔｓｆｔは、シフトレジ
スタ１３４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ないしＩdnのＮ個の並列信号として前記シフト
レジスタ１３４より出力される。ラインメモリ１３５
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、制御回路１３３より送られる制
御信号Ｔｍｒｙにしたがって適宜Ｉd1ないしＩdnの内容
を記憶する。記憶された内容は、Ｉ'd1 ないしＩ'dnと
して出力され、変調信号発生器１３７に入力される。変
調信号発生器１３７は、前記画像データＩ'd1 ないし
Ｉ'dn の各々に応じて表面伝導型電子放出素子の各々を
適切に駆動変調するための信号源であり、その出力信号
は、端子Ｄ_oy1 ないしＤ_oyn を通じて表示パネル１３１
内の表面伝導型電子放出素子に印加される。

【００３２】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。すなわち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖ
ｔｈ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。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１３７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。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１３７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。シフトレジスタ１３４
やラインメモリ１３５は、デジタル信号式のものをもア
ナログ信号式のものをも採用できる。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よ
いからである。

【００３３】デジタル信号式を用いる場合には、同期信
号分離回路１３６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１３６の出力部にＡ／Ｄ変
換器を設ければよい。これに関連してラインメモリ１３
５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１３７に用いられる回路が若干異なった
ものとなる。すなわち、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１３７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１３７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表面伝導型電子放出素子
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。

【００３４】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１３７には、例えばオペアンプなど
を用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシフ
ト回路など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、必要に応じて表面伝導型電子放出素子の駆動
電圧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。このような構成をとり得る本発明を適用可能な画
像表示装置においては、各電子放出素子に、容器外端子
Ｄ_ox1 ないしＤ_oxm 、Ｄ_0y1 ないしＤ_oyn を介して電圧
を印加することにより、電子放出が生ずる。高圧端子Ｈ
ｖ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。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方式などの他、
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。

【００３５】

【実施例】以下に、実施例をあげて本発明を詳述する。

【００３６】実施例１本発明にかかわる基本的な表面伝導型電子放出素子の構
成は、図８、図９の平面図及び断面図と同様である。ま
ず、図１４を用いて、本発明に関わる素子の基本的な構
成及び電子放出素子をマトリックスに配置した場合の製
造法を説明する。

【００３７】以下、図１４に基づいて順を追って製造方
法を説明する。工程ａからｈは図１４の（ａ）から
（ｈ）に対応する。工程ａ清浄化した青板ガラス上に厚さ０．５ミクロンのシリコ
ン酸化膜をスパッタ法で形成した基板１４１上に、真空
蒸着法により３００ÅのＣｒ、６０００ÅのＣｕ、およ
び３００ÅのＣｒ層を順次積層後フォトレジスト法によ
りＸ方向配線１４３を形成した。工程ｂ次にアルゴンガスを用いたＲＦスパッタ法によりＳｉＯ
₂ からなる１．２μｍ厚さの層間絶縁層１４４を堆積し
た。工程ｃ工程ｂで堆積したＳｉＯ₂ 膜にコンタクトホール１４４
ａを形成するためのフォ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１４４をエッチングしてコ
ンタクトホール１４４ａを形成した。エッチングはＣＦ
₄ とＨ₂ ガスを用いたＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏ
ｎｅｔｃｈｉｎｇ）法によった。工程ｄその後、素子電極１４６および１４７と素子電極間ギャ
ップとなるべきパターンをホトレジスト（ＲＤ−２００
０Ｎ−４１日立化成社製）形成し、真空蒸着法により、
厚さ１００ÅのＴｉ、厚さ４００Å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（図１ａ）
は１０ミクロンとし、素子電極の幅Ｗ（図１ａ）３００
ミクロンを有する素子電極１４６および１４７を形成し
た。工程ｅ次に素子電極１４６と１４７の上にＸ方向配線１４２の
フォトレジストパターンを形成した後、厚さ１５０オン
グストロームのＴａ、厚さ１ミクロンメートルのＡｕを
順次真空蒸着により堆積し、リフトオフにより不要な部
分を除去して所望の形状のＸ方向配線１４２を形成し
た。工程ｆ図１５に示すような、素子電極間隔Ｌ１だけ間をおいて
位置する一対の素子電極１４６、１４７を跨ぐような開
口２０ａを有するマスクを用い、膜厚１０００オングス
トロームのＣｒ膜１４５を真空蒸着により堆積、パター
ニングし、その上に有機Ｐｄ（ｃｃｐ４２３０奥野製薬
（株）社製）をスピンナーにより回転塗布、３００℃で
１０分間大気中で加熱焼成処理をした。こうして形成さ
れた主としてＰｄＯよりなる微粒子からなる導電性薄膜
１４８の膜厚は１００オングストローム、シート抵抗値
は２×１０の４乗Ω／□であった。工程ｇ次に、Ｃｒ膜および焼成後の導電性薄膜１４８を酸エッ
チャントによりエッチングして所望のパターンを形成し
た。工程ｈコンタクトホール１４４ａ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１５０オン
グストロームのＴａと１ミクロンメートルのＡｕを順次
堆積した。リフトオフ法により不要な部分を除去するこ
とによりコンタクトホール１４４ａを埋め込んだ。以上
の工程により基板１４１上に、Ｘ方向配線１４２、Ｙ方
向配線１４３、層間絶縁層１４４、素子電極１４６、１
４７、電子放出部形成薄膜１４８等を２次元状にかつ等
間隔に形成した。以上の工程により作製された電子放出
素子を複数配した電子源基板を用いたパネルの構成を図
７を用いて説明する。７１は以上の工程により作製され
た電子放出素子を複数配した電子源基板１４１に同じで
ある。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８４とメタルバッ
ク８５を形成したフェースプレートである。８２は支持
枠であり、該支持枠８２にはリアプレート８１、フェー
スプレート８６がフリットガラス等を用いて接続されて
いる。８８は外囲器であり、たとえば大気中あるいは窒
素中で、４００〜５００度の温度範囲で１０分以上焼成
することで、封着して構成される。次に、フォーミング
処理により電子放出部形成薄膜１４８内に不図示の電子
放出部を形成した。図７および図９を用いてフォーミン
グ処理について説明する。上述の工程により形成した電
子源基板７１を不図示の排気間を通じて真空ポンプにて
排気し、十分な真空に達した後、容器外端子Ｄ_x1ないし
Ｄ_xmとＤ_y1ないしＤ _ynを通じ、電子放出素子７４の素子
電極９６、９７間に電圧を印加し、電子放出部形成薄膜
９８を通電処理（フォーミング処理）することにより電
子放出部９８ａを形成した。フォーミング処理として１
０のマイナス６乗Ｔｏｒｒの真空雰囲気下で図３に示す
ようなパルス幅Ｔ₁ が１ミリ秒、波高値（フォーミング
時のピーク電圧）が５Ｖの三角波を、１０ミリ秒のパル
ス間隔６０秒間素子電極９６、９７間に通電した。上述
のような構成と製造方法によって作製された本発明の電
子放出素子の特性評価について、図１６に示した評価装
置の概略図を用いて説明する。図１６は、図７に示した
単純マトリックス配置の電子源のうちの１個の電子放出
素子に対応したものであり、１６１、１６４１は絶縁性
基板、１６２はＹ方向配線、１６３はＸ方向配線、１６
４は層間絶縁層、１６４ａはＸ方向配線１６３と素子電
極１６６をつなぐためのコンタクトホール、１６６、１
６７は素子電極、１６８は電子放出部１６８ａを含む薄
膜、１６９は外囲器、１６３１は素子電極１６６、１６
７に素子電圧を印加するための電源、１６３２は素子電
極間電圧計、１６３３はアノード電極、１６３４はアノ
ード電源、１６３５はアノード素子間電流計、１６３６
は外囲器１６９にガスを導入する弁、１６３７はガスボ
ンベ、１６３９は排気弁、１６４０は排気ポンプであ
る。図１６に示した弁１６３６を閉じて弁１６３９を開
け、排気ポンプ１６４０により外囲器１６９内を１０の
−９乗Ｔｏｒｒ台まで排気した後、弁１６３９を閉じ弁
１６３６を開けてガスボンベ１６３７からＮＨ₃ を１０
の−７乗Ｔｏｒｒ台まで導入し、弁１６３６を閉じてＮ
Ｈ₃ ガスを外囲器１６９内に封入した。この後、素子電
極１６６、１６７間に素子電圧（Ｖｆ）＝１７Ｖを印加
した。ここでは電子放出素子とアノード間には３ＫＶ印
加した。

【００３８】放電抑止ガスを封入しない場合、全電子放
出素子の１／３程度の負の素子電極１６７ならびに、Ｙ
方向配線１６２が破壊されたのに対して、素子電極１６
７およびＹ方向配線が破壊された素子は全電子放出素子
の１／５程度まで低減することができた。

【００３９】実施例２層間絶縁層１６４をＮＯ₂ １００％ガスを用いたスパッ
タ法により作製した点および外囲器１６９内を放電抑止
ガスを封入せずに１０のマイナス８乗Ｔｏｒｒ台に維持
する点以外は実施例１とまったく同様に電子源を作製し
た。層間絶縁層中のＮ濃度は、ＮＯ₂ 換算で０．１から
０．５重量％になるように調整した。アルゴン１００％
でのスパッタ法により層間絶縁層１６４を作製した場
合、全電子放出素子の１／３程度の負の素子電極１６７
ならびにＹ方向配線１６２が破壊されたが、本手法では
破壊された電子放出素子数を全体の１／４程度まで低減
することができた。

【００４０】実施例３層間絶縁層１６４を作製するスパッタガスをＮＯ₂ と
し、かつ、外囲器１６９内に１０のマイナス７乗Ｔｏｒ
ｒ台のＮＨ₃ ガスを封入した点以外は実施例１とまった
く同様に電子源を作製した。アルゴン１００％でのスパ
ッタ法により層間絶縁層１６４を作製し、外囲器１６９
内を１０のマイナス８乗台に維持した場合、全電子放出
素子の１／３程度に相当する負の素子電極１６７ならび
にＹ方向配線１６２が破壊されたが、本手法では破壊さ
れた電子放出素子数を全体の１／１０程度まで低減する
ことができた。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、表面伝導型電子放
出素子を配置した画像形成装置において発生する放電現
象を、当該画像形成装置内に無機ガスを封入することに
より抑制し、放電により表面伝導型電子放出素子が破壊
されるのを防ぐことができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子の
１例を示す模式的平面図および断面図である。

【図２】本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子の
製造方法の１例を示す模式図である。

【図３】本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子の
製造に関して採用できる通電フォーミング処理における
電圧波形の１例を示す模式図である。

【図４】測定評価機能を備えた真空処理装置の１例を示
す模式図である。

【図５】本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子に
ついての放出電流Ｉｅ、素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆの
関係の１例を示す模式図である。

【図６】本発明を適用可能な単純マトリックス配置した
電子源の１例を示す模式図である。

【図７】本発明を適用可能な画像形成装置の表示パネル
の１例を示す模式図である。

【図８】本発明を適用可能な単純マトリックス配置した
電子源の模式的平面図である。

【図９】本発明を適用可能な単純マトリックス配置した
電子源の模式的断面図である。

【図１０】蛍光膜の１例を示す模式図である。

【図１１】本発明を適用可能な梯子配置の電子源の１例
を示す模式図である。

【図１２】本発明を適用可能な画像形成装置の標示パネ
ルの１例を示す模式図である。

【図１３】画像形成装置に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１例を示すブロック
図である。

【図１４】本発明を適用可能な単純マトリックス配置し
た電子源の製造工程を順に示す模式図である。

【図１５】本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子
の電子放出部形成用薄膜を形成する際に用いられるマス
クの１例を示す模式的平面図である。

【図１６】測定評価機能を備えた真空処理装置の１例を
示す模式図である。

【図１７】表面伝導型電子放出素子の典型的例の摸式図
である。

【符号の説明】

１基板２、３素子電極４導電性薄膜５電子放出部２０マスク２０ａ開口５０電流計５１電源５２電流計５３高圧電源５４アノード電極５５真空容器５６排気ポンプ７１電子源基板７２Ｘ方向配線７３Ｙ方向配線７４表面伝導型電子放出素子７５結線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８８外囲器９１絶縁性基板９２Ｘ方向配線９３Ｙ方向配線９４層間絶縁層９４ａコンタクトホール９６、９７素子電極９８電子放出部形成薄膜９８ａ電子放出部１０１黒色導電材１０２蛍光体１１０電子源基板１１１電子放出素子１１２：Ｄ_x1〜Ｄ_x10 共通配線１２０電子源基板１２１フェースプレート１２２グリッド電極１２３空孔１２４容器外端子１２５容器外端子１３１表示パネル１３２走査回路１３３制御回路１３４シフトレジスタ１３５ラインメモリ１３６同期信号分離回路１３７変調信号発生器Ｖｘ及びＶａ直流電圧源１４１絶縁性基板１４２Ｙ方向配線１４３Ｘ方向配線１４４層間絶縁層１４４ａコンタクトホール１４５Ｃｒ層１４６、１４７素子電極１４８電子放出部形成薄膜１６１絶縁性基板１６２Ｙ方向配線１６３Ｘ方向配線１６４層間絶縁層１６４ａコンタクトホール１６６、１６７素子電極１６８電子放出部形成薄膜１６８ａ電子放出部１６９外囲器１６３１電源１６３２電流計１６３３アノード電極１６３４アノード電源１６３５電流計１６３６ガス導入弁１６３７ガスボンベ１６３９排気弁１６４０排気ポンプ１６４１絶縁性基板

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表面伝導型電子放出素子を複数配した電
子源基板と蛍光膜とを、その内部に備えると共に、その
内部にＨ ₂ Ｏガスが存在する外囲器を有する画像形成装
置において、前記外囲器内にＨ ₂ Ｏよりも第１イオン化
ポテンシャルが低く、多原子から構成される無機ガスが
封入されていることを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】前記無機ガスのイオン化ポテンシャルと
解離エネルギーの差が当該外囲器内の電子源の負電極を
形成する材料の仕事関数の２倍以下であることを特徴と
する請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項３】前記無機ガスがＮＯ、ＮＯ₂、ＮＨ₃から
選ばれるガス、又はこれらの混合ガスである請求項１に
記載の画像形成装置。
【請求項４】前記無機ガスの封入圧力が１×１０^-7Ｔ
ｏｒｒないし１×１０^-5Ｔｏｒｒの範囲である請求項１
に記載の画像形成装置。