JP3294486B2 - 電子放出素子の製造方法 - 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、電子線発生装置や
画像形成装置等の電子源として用いられる電子放出素子
の製造方法に関するものである。更に詳しくは、インク
ジェット方式を利用する電子放出素子、電子源、表示素
子及び画像形成装置の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電子放出素子としては大別し
て熱電子源と冷陰極電子源を用いた２種類のものが知ら
れている。冷陰極電子源には表面伝導型電子放出素子
（以下、ＳＣＥと略す）等がある。

【０００３】ＳＣＥ型は、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、Ｉｎ₂ Ｏ₃ ／ＳｎＯ₂ 薄膜による
もの［Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌａｎｄ Ｃ．Ｇ．Ｆｏｎｓ
ｔａｄ：”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ＥＤ Ｃｏｎ
ｆ．”、５１９（１９７５）］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１４に模式的に示
す。同図において５は絶縁性基板である。６は電子放出
部形成用薄膜で、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７が形成さ
れる。８は電子放出部を含む薄膜と呼ぶことにする。
尚、図中の素子電極間隔Ｌ１は、０．５ｍｍ〜１ｍｍ、
電極幅Ｗは、０．１ｍｍで設定されている。

【０００４】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電子放出部形成用薄膜６
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７を形成するのが一般的であった。即ち、フォーミ
ングとは前記電子放出部形成用薄膜６の両端に電圧を印
加通電し、電子放出部形成用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７を形成することである。尚、電子放出部７は電
子放出部形成用薄膜６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。以下、フォーミングによ
り形成した電子放出部を含む電子放出部形成用薄膜６を
電子放出部を含む薄膜８と呼ぶ。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、上述の電子放出部を
含む薄膜８に電圧を印加し、素子に電流を流すことによ
り、上述の電子放出部７より電子を放出せしめるもので
ある。

【０００５】しかしながら、これら従来の表面伝導型電
子放出素子は、実用化に当たって様々な問題があった
が、本発明者は後述するような様々な改善を鋭意検討
し、実用上の様々な問題点を解決してきた。これらの従
来技術の内、しばしば採用される方法としては、例えば
特開平１−２００５３２号公報などに開示されているよ
うに、電子放出素子を作製する方法において、フォーミ
ング処理するための金属や金属酸化物の微粒子の電子放
出部形成用薄膜を得るために、素子電極間に有機金属化
合物の薄膜を形成し、これを焼成と呼ぶ熱処理を施す。

【０００６】この熱処理は、空気中で有機金属化合物の
熱分解を行うことにより金属や金属酸化物の微粒子の薄
膜を生成するものである。

【０００７】また、電子放出膜や電子放出部の両側の金
属電極を白金で作る場合、フォトリソグラフィーの際に
はエッチング溶液として従来から王水が用いられてき
た。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の電子放出部形成用薄膜及び表面伝導型電子
放出素子の製造方法には、次のような問題点があった。

【０００９】この薄膜をバブルジェット方式で製造する
方法においては、製造雰囲気の気圧は常圧であり、温度
は常温であった。インクジェット方式としてバブルジェ
ット方式を使った場合、ヒーター温度は瞬間的にせよ、
数百度にもなる。このため、電子放出膜形成用の原料の
種類によっては、ヒーター上で、熱分解してしまい、吐
出悪化、膜厚バラツキ増加、電子放出量のバラツキ増
加、等の問題を内在していた。

【００１０】また、電子放出膜や電子放出部の両側の金
属電極を白金で作る場合、フォトリソグラフィーの際に
エッチング用に従来から用いられている王水では、エッ
チングに時間がかかったり、エッチング速度が不安定で
あるという、製造工程上の問題があった。

【００１１】本発明の目的は、この様な従来技術の欠点
を改善するものであり、特にバブルジェット方式で電子
放出素子の電子放出膜を作製する際における、常温、常
圧下での作製条件から生ずる上記問題点を解決した電子
放出素子の製造方法を提供することにある。更に、この
方法を適用した電子源、表示素子及び画像形成装置のバ
ラツキの少ない製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
達成するために鋭意検討した結果、バブルジェット方式
で電子放出膜を作製する方法において、（１）製造雰囲
気の気圧が常圧よりも低い条件であるか、または、
（２）製造雰囲気の温度が常温よりも低い条件であるか
の内、いずれか又は両者を用いることによって、上記の
問題を解決することができる本発明を完成するに至っ
た。

【００１３】すなわち本発明は、基板上の一対の電極間
に位置する電子放出部形成用薄膜を形成し、前記薄膜を
用いて電子放出部を形成する電子放出素子の製造方法に
おいて、減圧下および／または冷却下の製造雰囲気にお
いて、前記基板上に有機金属化合物又は無機金属化合物
の液滴をバブルジェット方式により付与し、前記薄膜を
形成することを特徴とする電子放出素子の製造方法であ
る。

【００１４】このように本発明は、対向する電極間に電
子放出部を有するＳＣＥにおいて、該電子放出部の電子
放出膜製造方法として、バブルジェット方式を用いる場
合、製造雰囲気を減圧する方法、又は、製造雰囲気を冷
却する方法の内、いずれか又は両者を用いることによっ
て、バブルジェットのヒーター上での電子放出膜原料の
熱分解を減らして良好な電子放出膜を製造する方法であ
る。

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】以下、本発明の電子放出膜の製造方法を図
面に基づいて詳しく説明する。

【００２２】図１は、本発明の電子放出膜の製造方法を
示す模式図である。図２は、本発明の適用可能な表面伝
導型電子放出素子の構成を示す模式的平面図及び断面図
である。図３は、本発明の電子放出素子の製造方法の一
例を示す工程図である。

【００２３】以下に、順をおって、本発明の製造方法を
図面に基づいて説明する。 １）絶縁性基板５を洗剤、純水および有機溶剤により十
分に洗浄後、真空蒸着法、スパッタ法等により素子電極
材料を堆積後、フォトリソグラフィー技術により該絶縁
性基板５の面上に素子電極９、１０を形成する（図３
（ａ）参照）。

【００２４】この時、電極材料として、白金を使う場
合、フォトリソグラフィーのエッチング液として、王水
にナトリウム、カリウム、リチウム、セシウム、ルビジ
ウムの各イオンの少なくともいずれか一種を添加したも
のを使う。また、この後の工程で電子放出部を白金で作
る場合、エッチング工程があれば、同じく、アルカリ金
属イオンを含有する王水を用いる。このエッチング溶液
を用いるによって、エッチング速度を向上させ、又、従
来よりも薄い王水で効率よくエッチングできる。

【００２５】２）絶縁性基板５上に設けられた素子電極
９と素子電極１０との間に、電子放出部形成用薄膜６を
形成する。形成方法は、原料として、有機金属化合物ま
たは無機金属化合物を用い、バブルジェット方式で製造
する。この時バブルジェット方式の製造雰囲気を減圧す
る方法、又は、バブルジェット方式の製造雰囲気を冷却
する方法の内、いずれか又は両者を用いる。こうして薄
膜を形成し、この後、熱処理する。熱処理時は、減圧や
冷却状態を維持しても、いずれか又は両方を解除しても
よい。この熱処理によって、該薄膜を金属微粒子膜また
は金属酸化物微粒子膜とし、リフトオフ、エッチング等
によりパターニングし、電子放出部形成用薄膜６を形成
する（図３（ｂ））。

【００２６】このように、本発明の電子放出膜の製造方
法では、前記液滴付与手段がバブルジェット方式である
ことが好ましい。本発明で言うバブルジェット方式と
は、インクジェット方式の一種類である。インクジェッ
ト方式は２種類あり、一つはバブルジェット方式、もう
一つはピエゾジェット方式である。前者は、発熱抵抗体
により加熱・発泡させて、ノズルより液滴を噴出させる
技術である。後者はノズルに配設されたピエゾ素子の収
縮圧力によって、液滴を噴出させる技術である。バブル
ジェット方式においては、インク等の液体を熱エネルギ
ーの利用で吐出させるため、液体に熱を作用させる熱作
用部が存在する。本発明は、主に、バブルジェット方式
において効果を発揮する。また、本発明の電子放出素子
の製造方法でも、前記液滴付与手段がバブルジェット方
式であることが好ましく、前記電子放出素子が表面伝導
型電子放出素子であることが好ましい。また、前記電子
放出素子の製造雰囲気の気圧および温度がそれぞれ常圧
より低くおよび／または常温より低くすることが好まし
い。

【００２７】次に、本発明における電子放出部形成用薄
膜６の形成工程について説明する。本発明に用いられる
有機金属化合物又は無機金属化合物に含まれる金属とし
ては、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｃ
ｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｂなどが、
得られる電子放出素子の電子放出特性が好ましい点から
用いられる。

【００２８】有機金属化合物としては、有機酸塩又はそ
のクラスターや有機アンミン錯体などが、良好な電子放
出部形成用薄膜が得られる点から好ましく用いられる。

【００２９】無機金属化合物としては、上記金属のハロ
ゲン化合物、硝酸塩、亜硝酸塩、塩酸塩、アミン錯体な
どが、良好な電子放出部形成用薄膜が得られる点から好
ましく用いられる。

【００３０】上記のようにして選んだ有機金属化合物又
は無機金属化合物を水に溶解又は分散させる。

【００３１】このような原料溶液をバブルジェット方式
で、薄膜を形成させるのであるが、図１に示したよう
に、このバブルジェット方式の薄膜製造装置１を減圧装
置２及び冷却装置３を備えた冷却可能な部屋４に設置す
る。

【００３２】製造雰囲気の減圧の度合いは、原料の溶媒
の沸点や原料の熱分解温度を考慮して、適した条件を選
択する。本発明における減圧の度合いは、１気圧未満か
ら０．１気圧の範囲が好ましい。

【００３３】同様に製造雰囲気の冷却の度合いは、原料
の溶媒の沸点や原料の熱分解温度、更に、バブルジェッ
トの吐出量、吐出間隔などを考慮して、適した条件を選
択する。本発明における冷却の度合いは、２０℃から１
℃の範囲が好ましい。

【００３４】このような製造装置を用いることによっ
て、泡の発生温度が低くなる原理は、クラジウス−クラ
ペイロンの法則により沸点が気圧の関数であることによ
る。但し、バブルジェット方式では、一つの泡によって
吐出された後、ある程度以上、温度が下がって、泡が無
くなるか又は極めて小さくならなければ、後に続く発泡
に必要な液の吸い込み量が少なくなって、吐出液量が少
なくなる。つまり、本方法においては、減圧だけでは、
効果が不十分である場合が多く、一つの泡によって原料
液が吐出された後、泡を消滅させるか又はごく小さく収
縮させるために、冷却した方が効果的である場合が多
い。このことの原理は、前記したように気体の体積や液
体の蒸気圧が温度の関数で、温度が下がれば、体積や蒸
気圧は小さくなることによる。

【００３５】このようにして、減圧、冷却された部屋４
で、噴射が終わると次に熱処理を行う。この熱処理時の
雰囲気条件は、減圧や冷却が継続されていても、いずれ
か又は両者が解除されていても、いずれでもよい。但
し、冷却のみ継続された場合は、蒸気状熱分解生成物の
排除機構があったほうがよい。この排除機構としては、
冷却トラップや換気機構がある。このような雰囲気で、
低温加熱（１００℃以下）し金属化合物薄膜を形成す
る。次に、高温加熱（１５０℃）して水分などを揮発除
去する。この後、金属化合物や金属を酸化物に変えるた
めに、更に高温（３００℃、１０分以上）で熱処理す
る。又、電子放出部や電極などに、白金製材料を用い、
それをエッチングする場合のエッチング液としては、王
水を水で倍に希釈し、塩化ナトリウム、塩化カリウム、
硝酸ナトリウム、硝酸カリウムなどのアルカリ金属の水
溶性塩を１重量パーセント〜１０重量パーセント、好ま
しくは、２重量パーセント〜３重量パーセント添加した
ものを使う。この添加効果の原理は、塩化白金酸よりも
塩化白金酸塩の方が水に溶けやすいためと考えられる。
なお、添加量が１重量パーセントより少ない場合は、効
果が小さく、１０重量パーセントを越えて添加しても効
果のそれ以上の向上は少ない。このエッチング液を使え
ば、エッチング所要時間が短くなる。又、液の寿命が長
くなるので、大量生産における、新液と旧液とのエッチ
ング所要時間の差が小さくなって、材料の品質が安定す
る。

【００３６】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９、１０間に不図示の電源を用いて、
通電を行うと、電子放出部形成用薄膜６の部位に、構造
の変化した電子放出部７が形成される（図３（ｃ））。
通電フォーミングによれば電子放出部形成用薄膜６を局
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７を構成する。通電
フォーミングの電圧波形の例を図５に示す。

【００３７】電圧波形は、パルス波形が好ましい。図５
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Ｔ₁ 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の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。

【００３８】通電フォーミング処理の終了は、パルス間
隔Ｔ₂ 中に、電子放出部形成用薄膜６を局所的に破壊、
変形しない程度の電圧を印加し、電流を測定して検知す
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、１Ｍオー
ム以上の抵抗を示した時、通電フォーミングを終了させ
る。

【００３９】４）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。

【００４０】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、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。

【００４１】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。

【００４２】炭素及び炭素化合物とは、グラファイト
（いわゆる高配向性熱分解炭素ＨＯＰＧ、熱分解炭素Ｐ
Ｇ、無定形炭素ＧＣ）を包含する、ＨＯＰＧはほぼ完全
なグラファイトの結晶構造、ＰＧ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以下の範囲と
するのが好ましく、３００Å以下の範囲とするのがより
好ましい。

【００４３】５）このような工程を経て得られた電子放
出素子は、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を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
ことが出来る。

【００４４】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、さらに１×１０^-8Ｔｏｒｒ以下が特に好まし
い。

【００４５】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出来る。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。

【００４６】以下、本発明を適用しうる表面伝導型電子
放出素子を図面を参照して詳細に説明する。

【００４７】本発明を適用しうる表面伝導型電子放出素
子の基本的な構成には大別して、平面型及び垂直型の２
つの構成が上げられる。

【００４８】まず、表面伝導型電子放出素子について説
明する。

【００４９】図２は本発明を適用可能な表面伝導型電子
放出素子の構成を示す模式図であり、図２ａは平面図、
２ｂは断面図である。

【００５０】図２において、５は基板、９、１０は素子
電極、６は電子放出部形成用薄膜、７は電子放出部、８
は電子放出部を含む薄膜である。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Ｓｉ
Ｏ₂を積層したガラス基板等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。

【００５１】対向する素子電極９、１０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。これは例
えばＮｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ａｌ，
Ｃｕ，Ｐｄ等の金属或は合金及びＰｄ，Ａｇ，Ａｕ，Ｒ
ｕＯ２，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、Ｉｎ₂ Ｏ₃ −ＳｎＯ₂ 等の透
明電導体及びポリシリコン等の半導体材料等より適宜選
択することができる。これらの材料の内、本発明では白
金が好ましく用いられる。

【００５２】素子電極間隔Ｌ１、素子電極長さＷ１、電
子放出部形成用薄膜６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Ｌ１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。

【００５３】素子電極長さＷ１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、
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。

【００５４】尚、図２に示した構成だけでなく、基板５
上に、電子放出部形成用薄膜６、対向する素子電極９、
１０の順に積層した構成とすることもできる。

【００５５】電子放出部形成用薄膜６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
用いるのが好ましく、その膜厚は、素子電極９、１０へ
のステップカバレージ、素子電極９、１０間の抵抗値及
び後述する通電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ことが好ましく、より好ましく
は１０Åより５００Åの範囲とするのが良い。その抵抗
値は、Ｒ_S が１０² から１０⁷ オーム／□の値である。
なおＲ_S は、厚さがｔ、幅がｗで長さがｌの薄膜の抵抗
Ｒを、Ｒ＝Ｒ_S（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。

【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、微粒子がここに
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から２００Åの
範囲である。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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」と呼ぶ場合もあり、本明細書中での記述はこれに
沿ったものである。

【００６０】「実験物理学講座１４ 表面・微粒子」
（木下是雄 編、共立出版 １９８６年９月１日発行）
では次のように記述されている。

【００６１】「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
に超微粒子と言うときは粒径が１０ｎｍ程度から２〜３
ｎｍ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」
（１９５ページ ２２〜２６行目） 付言すると、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。

【００６２】「創造科学技術推進制度の“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”（ｕｌｔｒａ ｆｉｎｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼
ぶことにした。すると１個の超微粒子はおよそ１００〜
１０⁸ 個位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）。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、粒径の下限は数オン
グストローム〜１０オングストローム程度、上限は数ミ
クロン程度のものを指すこととする。

【００６３】電子放出部７は、電子放出部形成用薄膜６
の一部に形成された高抵抗の亀裂により構成され、電子
放出部形成用薄膜６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７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７及びその近傍の電子放出部形成
用薄膜６には、炭素及び炭素化合物を有することもでき
る。

【００６４】次に、垂直型表面伝導型電子放出素子につ
いて説明する。

【００６５】図４は、本発明の表面伝導型電子放出素子
を適用できる垂直型表面伝導型電子放出素子の一例を示
す模式図である。

【００６６】図４においては、図２に示した部位と同じ
部位には同一の符号を付している。４１は、段差形成部
である。基板５、素子電極９及び１０、電子放出部形成
用薄膜６、電子放出部７は、前述した平面型表面伝導型
電子放出素子の場合と同様の材料で構成することができ
る。段差形成部４１は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ
法等で形成されたＳｉＯ₂ 等の絶縁性材料で構成するこ
とができる。段差形成部４１の膜厚は、先に述べた平面
型表面伝導型電子放出素子の素子電極間隔Ｌ１に対応
し、数千オングストロームから数十マイクロメートルの
範囲とすることができる。この膜厚は、段差形成部の製
法、及び、素子電極間に印加する電圧を考慮して設定さ
れるが、数百オングストロームから数マイクロメートル
の範囲が好ましい。

【００６７】電子放出部形成用薄膜６は、素子電極９及
び１０と段差形成部４１作成後に、該素子電極９、１０
の上に積層される。電子放出部７は、図３においては、
段差形成部３１に形成されているが、作成条件及びフォ
ーミング条件等に依存し、形状、位置ともこれに限られ
るものでない。

【００６８】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６、図７を参
照しながら説明する。

【００６９】図６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６においても、図２に示した部
位と同じ部位には図２に付した符号と同一の符号を付し
ている。図６において、６５は真空容器であり、６６は
排気ポンプである。真空容器６５内には電子放出素子が
配されている。即ち、５は電子放出素子を構成する基板
であり、９及び１０は素子電極、７は電子放出部、８は
電子放出部を含む薄膜である。６１は、電子放出素子に
素子電圧Ｖｆを印加するための電源、６０は素子電極９
−１０間の電子放出部を含む薄膜８を流れる素子電流Ｉ
ｆを測定するための電流計、６４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。６３はアノード電極６４に電圧を印加するた
めの高圧電源、６２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。

【００７０】真空容器６５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、
所望の真空雰囲気中での測定評価を行えるようになって
いる。排気ポンプ６６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。

【００７１】図７は図６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７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。尚、縦、横軸ともリニアスケー
ルである。

【００７２】図７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特性を有する。

【００７３】即ち、（ｉ）本素子はある電圧（しきい値
電圧と呼ぶ、図７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Ｖ
ｔｈ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。

【００７４】（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。

【００７５】（ｉｉｉ）アノード電極６４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。
すなわち、アノード電極６４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。

【００７６】以上の説明に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。

【００７７】図７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。）例を実線に示した。素子電流Ｉｆが素子電圧Ｖｆ
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）。また、こ
れら特性は、前述の工程を制御することで制御できる。

【００７８】以下に本発明を適用可能な電子放出素子の
応用例について述べる。本発明を適用可能な表面伝導型
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、画像形成装置が構成できる。

【００７９】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。

【００８０】一例として、並列に配置した多数の電子放
出素子の個々を両端で接続し、電子放出素子の行を多数
個配し（行方向と呼ぶ）、この配線と直交する方向（列
方向と呼ぶ）で、該電子放出素子の上方に配した制御電
極（グリッドとも呼ぶ）により、電子放出素子からの電
子を制御駆動するはしご状配置のものがある。これとは
別に、電子放出素子をＸ方向及びＹ方向に行列状に複数
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。このようなものは所謂
単純マトリクス配置である。まず単純マトリクス配置に
ついて以下に詳述する。

【００８１】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。即ち、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、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。

【００８２】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８を用いて説明する。図８において、８１は電子
源基板、８２はＸ方向配線、８３はＹ方向配線である。
８４は表面伝導型電子放出素子、８５は結線である。
尚、表面伝導型電子放出素子８４は、前述した平面型あ
るいは垂直型のどちらであってもよい。

【００８３】ｍ本のＸ方向配線８２はＤｘ１，Ｄｘ２，
・・・Ｄｘｍからなり、真空蒸着法、印刷法、スパッタ
法等を用いて形成された導電性金属等で構成することが
できる。配線の材料、膜厚、幅は、適宜設定される。Ｙ
方向配線８３はＤｙ１，Ｄｙ２，・・・Ｄｙｎのｎ本の
配線よりなり、Ｘ方向配線８２と同様に形成される。こ
れらｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配線８３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）。

【００８４】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８２を形成した基板８１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８２とＹ方向配線８３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
８２とＹ方向配線８３は、それぞれ外部端子として引き
出されている。

【００８５】表面伝導型放出素子８４を構成する一対の
電極（不図示）は、ｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方
向配線８３と、導電性金属等からなる結線８５によって
電気的に接続されている。

【００８６】配線８２と配線８３を構成する材料、結線
８５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。

【００８７】Ｘ方向配線８２には、Ｘ方向に配列した表
面伝導型放出素子８４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８３には、Ｙ方向に配列した表面伝導型
放出素子８４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。

【００８８】上記構成においては、単純なマトリクス配
線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とす
ることができる。

【００８９】このような単純マトリクス配置の電子源を
用いて構成した画像形成装置について、図９と図１０及
び図１１を用いて説明する。図９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１０は、図９の
画像形成装置に使用される蛍光膜の模式図である。図１
１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る。

【００９０】図９において、８１は電子放出素子を複数
配した電子源基板、９１は電子源基板８１を固定したリ
アプレート、９６はガラス基板９３の内面に蛍光膜９４
とメタルバック９５等が形成されたフェースプレートで
ある。９２は支持枠であり該支持枠９２には、リアプレ
ート９１、フェースプレート９６がフリットガラス等を
用いて接続されている。９８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。

【００９１】８４は図２における電子放出部７に相当す
る。８２、８３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。

【００９２】外囲器９８は上述の如く、フェースプレー
ト９６、支持枠９２、リアプレート９１で構成される。
リアプレート９１は主に基板８１の強度を補強する目的
で設けられるため、基板８１自体で十分な強度を持つ場
合は別体のリアプレート９１は不要とすることができ
る。即ち、基板８１に直接支持枠９２を封着し、フェー
スプレート９６、支持枠９２及び基板８１で外囲器９８
を構成しても良い。一方、フェースプレート９６、リア
プレート９１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の構成することもできる。

【００９３】図１０は、蛍光膜を示す模式図である。蛍
光膜は、モノクロームの場合は蛍光体１０２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及び
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。

【００９４】ガラス基板９３に蛍光体を塗布する方法は
モノクローム、カラーによらず、沈殿法、印刷法等が採
用できる。蛍光膜９４の内面側には通常メタルバック９
５が設けられる。メタルバックを設ける目的は、蛍光体
の発光のうち内面側への光をフェースプレート９６側へ
鏡面反射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、その後アル
ミニウムを真空蒸着等で堆積することで作製できる。

【００９５】フェースプレート９６には、更に蛍光膜９
４の導電性を高めるため、蛍光膜９４の外面側に透明電
極（不図示）を設けてもよい。

【００９６】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。

【００９７】図９に示した画像形成装置は、例えば以下
のようにして製造される。

【００９８】外囲器８８は、前述の安定化工程と同様
に、適宜加熱しながら、イオンポンプ、ソープションポ
ンプなどのオイルを使用しない排気装置により不図示の
排気管を通じて排気し、１０^-7Ｔｏｒｒ程度の真空度の
有機物質の十分少ない雰囲気にした後、封止が成され
る。外囲器９８の封止後の真空度を維持するために、ゲ
ッター処理をおこなうこともできる。これは、外囲器９
８の封止を行う直前あるいは封止後に、抵抗加熱あるい
は高周波加熱等を用いた加熱により、外囲器９８内の所
定の位置（不図示）に配置されたゲッターを加熱し、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、たとえば１×
１０^−５ないしは１×１０^-7Ｔｏｒｒの真空度を維持す
るものである。ここで、表面伝導型電子放出素子のフォ
ーミング処理以降の工程は、適宜設定できる。

【００９９】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１１を用いて説明する。図１１において、
１１１は画像表示パネル、１１２は走査回路、１１３は
制御回路、１１４はシフトレジスタである。１１５はラ
インメモリ、１１６は同期信号分離回路、１１７は変調
信号発生器、ＶｘおよびＶａは直流電圧源である。

【０１００】表示パネル１１１は、端子Ｄｏｘ１ないし
Ｄｏｘｍ、端子Ｄｏｙ１ないしＤｏｙｎ、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Ｄｏ
ｘ１ないしＤｏｘｍ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。

【０１０１】端子Ｄｙ１ないしＤｙｎ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
１０Ｋ［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。

【０１０２】走査回路１１２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１１１の端子Ｄｘ１ないしＤｘｍと電気的に
接続される。Ｓ１ないしＳｍの各スイッチング素子は、
制御回路１１３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事により構成する事ができる。

【０１０３】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。

【０１０４】制御回路１１３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。制御回路１１３は、同期信
号分離回路１１６より送られる同期信号Ｔｓｙｎｃに基
づいて、各部に対してＴｓｃａｎおよびＴｓｆｔおよび
Ｔｍｒｙの各制御信号を発生する。

【０１０５】同期信号分離回路１１６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１１６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を便宜上ＤＡＴＡ信号
と表した。該ＤＡＴＡ信号はシフトレジスタ１１４に入
力される。

【０１０６】シフトレジスタ１１４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１１３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１１４のシフトクロックであると言うこともでき
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１１４より出力される。

【０１０７】ラインメモリ１１５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１１３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに従
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１１７に入力される。

【０１０８】変調信号発生器１１７は、前記画像データ
Ｉ’ｄ１ないしＩ’ｄｎの各々に応じて、表面電動型電
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ないしＤｏｙｎを通
じて表示パネル１１１内の表面伝導型電子放出素子に印
加される。

【０１０９】前述したように、本発明を適用可能な電子
放出素子は放出電流Ｉｅに対して以下の基本特性を有し
ている。即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖｔｈ
があり、Ｖｔｈ以上の電圧を印加された時のみ電子放出
が生じる。電子放出しきい値以上の電圧に対しては、素
子への印加電圧の変化に応じて放出電流も変化する。こ
のことから、本素子にパルス状の電圧を印加する場合、
例えば電子放出しきい値以下の電圧を印加しても電子放
出は生じないが、電子放出しきい値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
制御する事が可能である。また、パルスの幅Ｐｗを変化
させる事により出力される電子ビームの電荷の総量を制
御する事が可能である。

【０１１０】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、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１１７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。

【０１１１】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１１７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。

【０１１２】シフトレジスタ１１４やラインメモリ１１
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われれば良いからである。

【０１１３】デジタル信号式を用いる場合には、同期信
号分離回路１１６の出力信号ＤＡＴＡをデジタル信号化
する必要があるが、これは１１６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１１５
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１１７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１１７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１１７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。

【０１１４】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１１７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。

【０１１５】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Ｄｏｘ１ないしＤｏｘｍ、Ｄｏｙ１ないしＤｏｙ
ｎ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Ｈｖを介して、メタルバック９５、あるい
は透明電極（不図示）に高圧を印加し、電子ビームを加
速する。加速された電子は、蛍光膜９４に衝突し、発光
が生じて画像が形成される。

【０１１６】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方式をあげたが、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。

【０１１７】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１２、図１３を用いて説明する。

【０１１８】図１２は、はしご型配置の電子源の一例を
示す模式図である。図１２において、１２０は電子源基
板、１２１は電子放出素子である。１２２、Ｄｘ１〜Ｄ
ｘ１０は、電子放出素子１２１を接続するための共通配
線である。電子放出素子１２１は、基板１２０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Ｄｘ２〜Ｄｘ９は、例えばＤｘ２、Ｄｘ３を同
一配線とすることもできる。

【０１１９】図１３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。１３０はグリッド電極、１３１は電子が通過する
ための空孔、１３２はＤｏｘ１，Ｄｏｘ２，・・・Ｄｏ
ｘｍよりなる容器外端子である。１３３はグリッド電極
１３０と接続されたＧ１、Ｇ２，・・・Ｇｎからなる容
器外端子、１３４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。図１３においては、図９、１２
に示した部位と同じ部位には、これらの図に付したのと
同一の符号を付している。ここに示した画像形成装置と
図９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９６
の間にグリッド電極１３０を備えているか否かである。

【０１２０】図１３においては、基板１２０とフェース
プレート９６の間には、グリッド電極１３０が設けられ
ている。グリッド電極１３０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１３１が設けられている。グリ
ッドの形状や設置位置は図１３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。

【０１２１】容器外端子１３２およびグリッド容器外端
子１３３は、不図示の制御回路と電気的に接続されてい
る。

【０１２２】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。

【０１２３】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も
できる。

【０１２４】

【実施例】以下に本発明の実施例について説明するが、
本発明は以下の実施例に限定されるものではない。実施例１ 絶縁層基板５として石英基板を用い、これを有機溶剤
により充分に洗浄後、該基板５の表面上に、素子電極
９、１０を形成した（図３（ａ））。この電極の材料と
して、Ｐｔ金属を用いた。電極間隔Ｌ₁ は２μｍとし、
電極の長さ（紙面奥行き方向）を５００μｍ、その厚さ
を１０００Åとした。白金のエッチング液としては，王
水を水で倍に希釈したものに、塩化ナトリウムを２重量
パーセント添加したものを用いた。エッチング所要時間
は、７０秒であった。

【０１２５】素子電極９、１０にまたがるように、バブ
ルジェット方式によって液滴を付与した。即ち、電子放
出膜の原料として、酢酸パラジウムの０．１重量パーセ
ント水溶液を用い、バルブジェット方式によるノズルか
ら噴射した。

【０１２６】ここで用いる製造装置は、全体を減圧、冷
却しておく。圧力は、０．５気圧、温度は、２℃とし
た。これによって、水の沸点は、約２０℃低下する。バ
ブルジェットのヒーター温度は、電気的調節によって、
従来の温度よりも約２０℃低い条件とした。これによっ
て、熱分解量は従来より減少した。また、吐出量、吐出
速度は満足できるものであった。

【０１２７】次に、製造装置の減圧装置及び冷却器を
止め、気密室を開放し、常圧、常温に戻した。次に、低
温加熱（１００℃以下）し、金属微粒子膜と低温揮発性
物質を生成させた。次に、加熱を、空気中で２００℃で
２０分行ない、低温揮発性物質を揮発除去し、金属微粒
子膜を形成した。更に、加熱を、３００℃、１０分行な
った。

【０１２８】形成された膜について、プラズマ発光分光
法でパラジウム量を定量した結果、Ｐｄとしては、１
７．０μｇ／ｃｍ² であった。また、原子間力顕微鏡で
膜厚を測定した結果、１０５Åであり、後述する比較例
１に比べ約５％増加した。また、膜厚のバラツキは、比
較例１に比べ約９／１０であった。次に通電処理して電
子放出膜を作製した。得られた結果を表１に示す。実施例２ 本実施例２における作製工程を図３を用いて説明する。

【０１２９】絶縁層基板５上に電子放出膜形成用原料
として、酢酸パラジウム水溶液を用い、実施例１と同じ
方法で、酸化パラジウム微粒子（平均粒径５８Å）から
なる薄膜６を形成した。ここで微粒子膜６の長さ（紙面
奥行き方向）を３００μｍとして、電極９、１０のほぼ
中央に配置した（図３（ｂ））。

【０１３０】次に、電極９と電極１０の間に電圧を印
加し、微粒子膜６を通電処理（フォーミング処理）する
ことにより電子放出領域７を形成した（図３（ｃ））。
フォーミング処理の電圧波形を図５に示す。

【０１３１】図５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１．０ミリ
秒、Ｔ₂ を１０ミリ秒とした。また、フォーミング処理
は約１×１０ ^-8 ｔｏｒｒの真空雰囲気下で行った。

【０１３２】上記工程で同様の素子を５００素子作製
し、図６に示される評価装置を用いて電子放出特性を測
定した。図６に測定評価装置の概略構成図を示す。図６
において、５は絶縁性基板、９及び１０は素子電極、８
は電子放出部を含む薄膜、７は電子放出部である。６１
は素子に電圧を印加するための電源、６０は素子電流Ｉ
ｆを測定するための電流計、６４は素子より発生する放
出電流Ｉｅを測定するためのアノード電極、６３はアノ
ード電極６４に電圧を印加するための高圧電源、６２は
放出電流を測定するための電流計である。ここで、上記
素子電流とは、電流計６０によって測定される電流量で
あり、また、上記放出電流とは、電流計６２により測定
される電流量である。

【０１３３】電子放出素子の上記素子電流、放出電流の
測定にあたっては、素子電極９、１０に電源６２と電流
計６０とを接続し、該電子放出素子の上方に電源６３と
電流計６２とを接続したアノード電極６４を配置してい
る。

【０１３４】また、本電子放出素子及びアノード電極６
４は真空装置内に設置されており、その真空装置には不
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、所望の真空下で本素子の測定評価を
行えるようになっている。

【０１３５】なお、本実施例では、アノード電極と電子
放出素子間の距離を４ｍｍ、アノード電極の電位を１Ｋ
Ｖ、電子放出特性測定時の真空装置内の真空度を１×１
０^-7ｔｏｒｒとした。

【０１３６】以上のような測定評価装置を用いて、本電
子放出素子の電極９及び１０の間に素子電圧を印加し、
その時に流れる素子電流Ｉｆ及び放出電流Ｉｅを測定し
た。本素子では、素子電圧８Ｖ程度から急激に放出電流
Ｉｅが増加し、素子電圧１４Ｖでは素子電流Ｉｆが２．
２ｍＡ、放出電流Ｉｅが１．１μＡとなり、電子放出効
率がη＝Ｉｅ／Ｉｆ（％）は、０．０５であった。実施例３ 本実施例では、実施例２と同様にして作製した電子放出
素子を用いて、画像形成装置を作製した。図９、図１０
を用いて、以下に説明する。

【０１３７】実施例２のようにして電子放出素子を作製
した基板８１をリアプレート９１上に固定した後、基板
８１の５ｍｍ上方に、フェースプレート９６（ガラス基
板９３の内面に螢光膜９４とメタルバック９５が形成さ
れて構成される）を支持枠９２を介して配置し、フェー
スプレート９６、支持枠９２、リアプレート９１の接合
部にフリットガラスを塗布し、大気中あるいは窒素雰囲
気中で４００℃ないし５００℃で１０分以上焼成するこ
とで封着した（図７）。また、リアプレート９１への基
板８１の固定もフリットガラスで行った。図９におい
て、８４は電子放出部、８２、８３はそれぞれＸ方向お
よびＹ方向の素子電極である。

【０１３８】この時の素子数は、１６行１６列、即ち、
２５６個であった。

【０１３９】上述のごとく、フェースプレート９６、支
持枠９２、リアプレート９１で、外周器９８を構成した
が、リアプレート９７は主に基板８１の強度を補強する
目的で設けられるため、基板８１自体で充分な強度をも
つ場合は、別体のリアプレート９１は不要であり、基板
８１に直接、支持枠９２を封着し、フェースプレート９
６、支持枠９２、基板８１にて外周器９８を構成しても
よい。螢光膜９４は、モノクロームの場合は、螢光体の
みからなるが、カラーの螢光膜の場合は螢光体の配列に
よりブラックストライプあるいはブラックマトリックス
などと呼ばれる黒色導電材１０１と螢光体１０２とで構
成される（図１０）。ブラックストライプ及びブラック
マトリックスが設けられる目的は、カラー表示の場合必
要となる三原色螢光体の、各螢光体１０２間の塗りわけ
部を黒くすることで混色等を目立たなくすることと、螢
光膜９４における外光反射によるコントラストの低下を
抑制することである。本実施例では、螢光体はストライ
プ形状を採用し、先にブラックストライプを形成し、そ
の間隙部に各色螢光体を塗布し、螢光膜９４を作製し
た。ブラックストライプの材料として通常よく用いられ
ている黒鉛を主成分とする材料を用いたが、導電性があ
り、光の透過および反射が少ない材料であればこれに限
るものではない。

【０１４０】ガラス基板９３に螢光体を塗布する方法
は、モノクロームの場合は沈澱法や印刷法が用いられる
が、カラーである本実施例では、スラリー法を用いた。
カラーの場合にも印刷法を用いても同等の塗布膜が得ら
れる。

【０１４１】また、螢光膜９４の内面側への光をフェー
スプレート９６側へ鏡面反射することにより、輝度を向
上すること、電子ビーム加速電圧を印加するための電極
として作用すること、外周器内で発生した負イオンの衝
突によるダメージからの螢光体の保護膜の作用がある。

【０１４２】メタルバック９５は螢光膜作製後、螢光膜
内面側表面の平滑化処理（通常フィルタリングと呼ばれ
る）を行ない、その後、アルミニウムを真空蒸着するこ
とで作製した。フェースプレート９６には、さらに螢光
膜９４の導電性を高めるために、螢光膜９４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９５のみでも充分な導電性が得られ
るので省略した。前述の封着を行なう際、カラーの場合
は、各色螢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、充分な位置合わせを行なった。

【０１４３】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（不図示）を通じ、真空ポンプにて排
気し、充分な真空度に達した後、容器外端子Ｄ×１ない
しＤ×１６とＤ×１ないしＤ×１６を通じ、素子電極８
２、８３間に電圧を印加し、前述のフォーミングを行な
い、電子放出部８４を形成し、電子放出素子を作製し
た。

【０１４４】最後に１０マイナス６乗トール程度の真空
度で、不図示の排気管をガスバーナーで熱することで溶
着し、外周器の封止を行なった。

【０１４５】最後に封止後の真空度を維持するために、
ゲッター処理を行なった。これは、封止を行なう直前あ
るいは封止後に、抵抗加熱あるいは高周波加熱などの加
熱法により、画像表示装置内の所定の位置（不図示）に
配置されたゲッター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、真空度を維持するものである。

【０１４６】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Ｄ×１な
いしＤ×１６とＤ×１ないしＤ×１６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Ｈｖを通
じ、メタルバック９５、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、螢光
膜９４に衝突させ、励起・発光させることで画像を表示
した。

【０１４７】以上述べた構成は、画像表示装置を作製す
る上で必要な概略構成であり、例えば、各部材の材料な
ど、詳細な部分は上述内容に限られるものではなく、さ
らに、複数の電子放出素子９４の基板８１上での配置形
態は、一対の配線電極間に複数の電子放出素子を結線し
た素子列を、複数列配列した形態であってもよく、この
場合には、これら素子列と直交する方向に、螢光体の発
光をさせる素子の選択を行なう制御電極（通常、グリッ
ドと呼ぶ）が配置される。このように画像表示装置の用
途に適するよう適宜選択する。 比較例１ 素子電極の材料として、Ｐｔ金属を用いた。電極間隔Ｌ
₁ は２μｍとし、電極の長さ（紙面奥行き方向）を５０
０μｍ、その厚さを１０００Åとした。白金のエッチン
グ液としては、王水を水で倍に希釈し、塩化ナトリウム
を添加せずに用いた。エッチング所要時間は、９０秒で
あった。

【０１４８】原料溶液は実施例１と同じく酢酸パラジウ
ムの０．１重量パーセント水溶液を用い、常圧、常温の
部屋に置かれたバブルジェット方式製造装置を使って、
噴射した。

【０１４９】そのほかは、実施例２と全く同様にして電
子放出素子を５００素子作製した。この場合は、プラズ
マ発光分光法でパラジウム量を定量した結果、Ｐｄとし
ては、１６．０μｇ／ｃｍ² であった。また、原子間力
顕微鏡で膜厚を測定した結果、１００Åであった。得ら
れた結果を表１に示す。

【０１５０】

【表１】 （注）膜厚のバラツキは、基板（１×１．５インチ）を
３０枚製造した時の、初めの３枚の平均と終わりの３枚
の平均の差である。 このように、実施例及び比較例の結果から明らかなよう
に、本発明の方法により電子放出部形成用薄膜の製造雰
囲気を常圧より低い気圧および／または常温より低い温
度とすることにより、良好なり薄膜が得られた。また、
得られた電子放出素子間の電子放出特性のバラツキを低
減することもでき、これにより素子特性のバラツキの少
ない画像形成装置を得ることができた。

【０１５１】又、白金製素子電極のエッチング液にアル
カリ金属イオンを添加することによって、エッチング時
間の短縮、安定化が得られた。

【０１５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電子放出部形成用薄膜の作製方法として、製造雰囲気を
常圧より低い気圧および／または常温より低い温度とす
ることにより、得られる薄膜の膜厚の減少を抑え、また
素子特性のバラツキの少ない電子放出素子、電子源、表
示素子及び画像形成装置を得ることができる。

【０１５３】また、白金電極、白金製電子放出部などの
白金製材料のエッチング液として、王水にアルカリ金属
から選ばれる少なくとも一種の金属イオンを含む溶液を
用いることによって、エッチング所要時間を短くでき、
エッチング所要時間を安定化でき、白金材料を用いた部
材の品質も安定化する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の電子放出膜の製造方法を示す模式図
である。

【図２】 本発明の適用可能な表面伝導型電子放出素子
の構成を示す模式的平面図及び断面図である。

【図３】 本発明の電子放出素子の製造方法の一例を示
す工程図である。

【図４】 本発明の適用可能な垂直型表面伝導型電子放
出素子の構成を示す模式図である。

【図５】 本発明の適用可能な表面伝導型電子放出素子
の製造に際して採用できる通電フォーミングの処理にお
ける電圧波形の一例を示す模式図である。

【図６】 測定評価機能を備えた真空処理の一例を示す
模式図である。

【図７】 本発明の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
の関係の一例を示すグラフである。

【図８】 本発明の適用可能な単純マトリクス配置した
電子源の一例を示す模式図である。

【図９】 本発明の適用可能な画像形成装置の表示パネ
ルの一例を示す模式図である。

【図１０】 蛍光膜一例を示す模式図である。

【図１１】 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一例を示すブロッ
ク図である。

【図１２】 本発明の適用可能な梯子配置の電子源の一
例を示す模式図である。

【図１３】 本発明の適用可能な画像形成装置の表示パ
ネルの一例を示す模式図である。

【図１４】 従来の表面伝導型電子放出素子の一例を示
す模式図である。

【符号の説明】

１：バブルジェット方式電子放出膜製造装置、２：減圧
装置、３：冷却装置、４：気密室、５：基板、６：電子
放出部形成用薄膜、７：電子放出部、８：電子放出部を
含む薄膜、９、１０：素子電極、４１：段さ形成部、６
０：素子電極９、１０間の電子放出部を含む薄膜８を流
れる素子電流Ｉｆを測定するための電流計、６１：電子
放出素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電源、６２：
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、６３：アノード電極６４に電圧を印
加するための高圧電源、６４：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、
６５：真空装置、６６：排気ポンプ、８１：電子源基
板、８２：Ｘ方向配線、８３：Ｙ方向配線、８４：表面
伝導型電子放出素子、８５：結線、９１：リアプレー
ト、９２：支持枠、９３：ガラス基板、９４：蛍光膜、
９５：メタルバック、９６：フェースプレート、Ｈｖ：
高圧端子、９８：外囲器、１０１：黒色導電材、１０
２：蛍光体、１１１：表示パネル、１１２：走査回路、
１１３：制御回路、１１４：シフトレジスタ、１１５：
ラインメモリ、１１６：同期信号分離回路、１１７：変
調信号発生器、ＶｘおよびＶａ：直流電圧源、１２０：
電子源基板、１２１：電子放出素子、１２２：Ｄｘ１〜
Ｄｘ１０は、前記電子放出素子を配線するための共通配
線、１３０：グリッド電極、１３１：電子が通過するた
めの空孔、１３２：Ｄｏｘ１，Ｄｏｘ２，・・・Ｄｏｘ
ｍよりなる容器外端子、１３３：グリッド電極１２０と
接続されたＧ１、Ｇ２。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上の一対の電極間に位置する電子放
   出部形成用薄膜を形成し、前記薄膜を用いて電子放出部
   を形成する電子放出素子の製造方法において、減圧下及
   び／または冷却下の製造雰囲気において、前記基板上に
   有機金属化合物又は無機金属化合物の液滴をバブルジェ
   ット方式により付与し、前記薄膜を形成することを特徴
   とする電子放出素子の製造方法。
2. 【請求項２】 前記製造雰囲気が１気圧未満〜０．１気
   圧であることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素
   子の製造方法。
3. 【請求項３】 前記製造雰囲気が２０℃〜１℃であるこ
   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
   の製造方法。
4. 【請求項４】 前記電子放出素子が表面伝導型電子放出
   素子であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
   か１つに記載の電子放出素子の製造方法。