JP3408065B2

JP3408065B2 - 電子放出素子、電子源及び画像形成装置の製造方法

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Publication number: JP3408065B2
Application number: JP17287896A
Authority: JP
Inventors: 正則三留
Original assignee: Canon Inc
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Priority date: 1996-06-13
Filing date: 1996-06-13
Publication date: 2003-05-19
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Also published as: JPH103847A; TW310673U

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
電子放出素子を多数個配置してなる電子源及び該電子源
を用いて構成した表示装置や露光装置等の画像形成装置
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子放出素子には大別して熱電子
放出素子と冷陰極電子放出素子の２種類が知られてい
る。冷陰極電子放出素子には電界放出型（以下、「ＦＥ
型」と称す。）、金属／絶縁層／金属型（以下、「ＭＩ
Ｍ型」と称す。）や表面伝導型電子放出素子等が有る。

【０００３】ＦＥ型の例としては、Ｗ．Ｐ．Ｄｙｋｅ
ａｎｄＷ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ，“ＦｉｅｌｄＥｍｉｓ
ｓｉｏｎ”，ＡｄｖａｎｃｅｉｎＥｌｅｃｔｒｏｎ
Ｐｈｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）あるいはＣ．
Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，“ＰｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｐｅｒ
ｔｉｅｓｏｆｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｆｉｅｌｄｅｍ
ｉｓｓｉｏｎｃａｔｈｏｄｅｓｗｉｔｈｍｏｌｙｂ
ｄｅｎｕｍｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．，４７，５２４８（１９７６）等に開示されたもの
が知られている。

【０００４】ＭＩＭ型の例としては、Ｃ．Ａ．Ｍｅａ
ｄ，“ＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＴｕｎｎｅｌ−Ｅｍｉ
ｓｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．，３２，６４６（１９６１）等に開示されたものが
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
ｔｒｏｎＰｈｙｓ．，１０，１２９０（１９６５）等
に開示されたものがある。

【０００６】表面伝導型電子放出素子は、絶縁性基板上
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ＳｎＯ_２薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によ
るもの［Ｇ．Ｄｉｔｔｍｅｒ：“ＴｈｉｎＳｏｌｉｄ
Ｆｉｌｍｓ”，９，３１７（１９７２）］、Ｉｎ_２Ｏ_３
／ＳｎＯ_２薄膜によるもの［Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌａ
ｎｄＣ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔａｄ：“ＩＥＥＥＴｒａｎ
ｓ．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。

【０００７】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１
８に模式的に示す。同図において１は基板である。４は
導電性膜で、Ｈ型形状のパターンに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６が形成される。尚、図中の
素子電極間隔Ｌは、０．５〜１ｍｍ、Ｗ’は、０．１ｍ
ｍで設定されている。

【０００８】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６を形成す
るのが一般的である。即ち、通電フォーミングとは、前
記導電性膜４の両端に電圧を印加通電し、導電性膜４を
局所的に破壊、変形もしくは変質させて構造を変化さ
せ、電気的に高抵抗な状態の電子放出部６を形成する処
理である。尚、電子放出部６では導電性膜４の一部に亀
裂が発生しており、その亀裂付近から電子放出が行われ
る。

【０００９】上述の表面伝導型電子放出素子は、構造が
単純であることから、大面積に亙って多数素子を配列形
成できる利点がある。そこで、この特徴を活かすための
種々の応用が研究されている。例えば、荷電ビーム源、
表示装置等の画像形成装置への利用が挙げられる。

【００１０】従来、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、並列に表面伝導型電子放出素子
を配列し、個々の表面伝導型電子放出素子の両端（両素
子電極）を配線（共通配線とも呼ぶ）にて夫々結線した
行を多数行配列（梯子型配置とも呼ぶ）した電子源が挙
げられる（例えば、特開昭６４−３１３３２号公報、特
開平１−２８３７４９号公報、同２−２５７５５２号公
報）。

【００１１】また、特に表示装置においては、液晶を用
いた表示装置と同様の平板型表示装置とすることが可能
で、しかもバックライトが不要な自発光型の表示装置と
して、表面伝導型電子放出素子を多数配置した電子源
と、この電子源からの電子線の照射により可視光を発光
する蛍光体とを組み合わせた表示装置が提案されている
（アメリカ特許第５０６６８８３号明細書）。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の表面伝導型電子放出素子においては、次のような問
題があった。

【００１３】即ち、前述の通電フォーミングにより導電
性膜４の一部に形成される電子放出部６の形態は、導電
性膜４の膜質、基板の種類、基板の表面状態、フォーミ
ング時の雰囲気などに強く依存するため、その位置や形
状を精度良く制御し難く、例えばその幅は１０ｎｍ〜１
０００ｎｍ程度のバラツキを持つ場合がある。このこと
は、素子の特性を均一にする上で困難をもたらし、複数
の電子放出素子を配置した電子源や、それを用いた画像
形成装置などを作成した場合、電子放出量のバラツキ、
画面の明るさのバラツキが生じる場合がある。

【００１４】また、前記電子源、画像形成装置等に用い
られる電子放出素子については、明るい表示画像を安定
して提供できるよう更に安定な電子放出特性及び電子放
出の効率向上が要望されている。

【００１５】上記電子放出の効率とは、導電性膜４の両
端に電圧を印加した際に、これに流れる電流（以下、
「素子電流」と呼ぶ。）と真空中に放出される電流（以
下、「放出電流」と呼ぶ。）との比で評価されるもので
あり、素子電流が小さく、放出電流が大きい電子放出素
子が望まれている。

【００１６】安定的に制御し得る電子放出特性と効率の
より一層の向上がなされれば、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、低電流で明るい高
品位な画像形成装置、例えばフラットテレビが実現され
る。また、低電流化に伴い、画像形成装置を構成する駆
動回路等のローコスト化も図れる。

【００１７】しかしながら、上述のＭ．ハートウェルの
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ことは極めて難しいというのが実状
である。

【００１８】上記のような応用に用いられる電子放出素
子は、実用的な印加電圧に対して良好な電子放出特性を
有し、且つ長時間にわたってその特性を保持し続けられ
ることが必要である。

【００１９】本発明の目的は、上述した解決すべき技術
的課題を解決し、電子放出部の位置と形状を精度良く制
御し、素子特性のバラツキを解消すると共に、耐久性を
高め安定な電子放出特性を有し、電子放出の効率向上を
図った電子放出素子を提供することにある。本発明の別
の目的は、高輝度で動作安定性に優れた画像形成装置を
提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成すべく
成された本発明の構成は、以下の通りである。

【００２１】

【００２２】

【００２３】即ち、本発明の第一は、２種以上の異なる
材料が積層した構造を有する導電性膜を形成する工程
と、該導電性膜に微細加工技術を用いて、その間隔が１
００ｎｍ以下の間隙部を形成する工程と、該間隙部及び
その近傍の少なくとも一部に炭素又は／及び炭素化合物
を有する電子放出部を、有機物質のガスを含む雰囲気下
において前記間隙部を介して対向する一対の前記導電性
膜間に電圧を印加することにより形成する工程とを有す
ることを特徴とする電子放出素子の製造方法にある。

【００２４】上記本発明第一の製造方法は、さらにその
特徴として、「前記微細加工技術が、集束イオンビーム
技術である」こと、「前記微細加工技術が、リソグラフ
ィー技術である」こと、をも含む。

【００２５】

【００２６】

【００２７】また、本発明の第二は、基板上に複数の電
子放出素子が配置されており、入力信号に応じて電子を
放出する電子源の製造方法であって、前記複数の電子放
出素子が上記本発明第一の方法にて製造されることを特
徴とする電子源の製造方法にある。

【００２８】

【００２９】さらに、本発明の第三は、電子源と画像形
成部材を備え、入力信号に基づいて画像を形成する画像
形成装置の製造方法であって、前記電子源が上記本発明
第二の方法にて製造されることを特徴とする画像形成装
置の製造方法にある。

【００３０】本発明者は、前述したような従来素子に係
る諸問題、即ち、特性の均一性，耐久性等に関する問題
点について鋭意検討した結果、導電性膜として異種材料
を組み合わせ、更には電子放出部の形成工程（フォーミ
ング工程）を変更することによって、これらの問題点を
解消し得ることを見いだし、本発明に至ったものであ
る。以下、この点について説明する。

【００３１】先述の表面伝導型電子放出素子の電子放出
部は、駆動時に電子による衝撃や高温にさらされること
から、高融点金属（例えば、タングステン、タンタルな
ど）を導電性膜として用いることが考えられる。しか
し、これらの金属は高融点であるため、通電フォーミン
グ処理に難点があるほか、酸化され易く、素子の作製工
程もしくは画像形成装置の作製工程において抵抗が大き
くなってしまう恐れがあり、導電性膜材料としては必ず
しも最良な材料ではない。

【００３２】また、後に述べるように、表面伝導型電子
放出素子では炭素あるいは炭素化合物を堆積させる工程
（活性化工程）が重要な工程となるが、かかる活性化工
程を効率良く行うために触媒作用の強い金属（例えば、
ニッケルやパラジウムなど、もしくはこれらの酸化物）
を用いることもある。この場合、これらの金属の融点
は、比較的低いため、耐久性の点で見劣りがする場合が
ある。

【００３３】これら各材料の利点と欠点とを相補うため
に、２種以上の材料を同時に使用することが考えられ
る。しかしながら、たとえ２種以上の材料を用いて適切
な構造を形成してあったとしても、通電フォーミング工
程の後には、電子放出部近傍ではその構造が失われ、所
望の効果を得られない場合があった。

【００３４】そこで本発明においては、導電性膜を２種
類以上の材料を積層した構造とし、各材料の利点を用い
ると共に各材料の欠点を相補い、更には従来の通電フォ
ーミングは用いず、例えば集束イオンビームやリソグラ
フィーなどの微細加工技術を用いて、かかる積層構造を
破壊することなく間隙部を導電性膜に形成することによ
り、電子放出効率及び耐久性を高めると共に、電子放出
部の位置及び形状を制御して均一性の高い素子を実現す
るものである。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施態様
を示す。

【００３６】本発明の電子放出素子の基本的構成には大
別して、平面型及び垂直型の２つがある。

【００３７】まず、平面型の電子放出素子について説明
する。

【００３８】図１は、本発明の平面型の電子放出素子の
一構成例を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図、図
１（ｂ）は縦断面図である。図１において、１は基板、
２と３は電極（素子電極）、４は導電性膜、５は導電性
膜４に形成された間隙部、６は間隙部５に形成された電
子放出部であり、炭素又は／及び炭素化合物を有する。
導電性膜４と素子電極２，３を同じ材料で作製した場
合、導電性膜に素子電極の役割を担わせることが可能で
あり、この場合は導電性膜と素子電極の区別はなくなり
一体のものとして扱われる。また、導電性膜４は積層構
造を持ち、図１においては４ａと４ｂで表されている。
しかし、これは一例に過ぎず、積層構造の形態はこの限
りではない。

【００３９】基板１としては、石英ガラス、Ｎａ等の不
純物含有量を減少させたガラス、青板ガラス、青板ガラ
スにスパッタ法等によりＳｉＯ₂ を積層した積層体、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。

【００４０】対向する素子電極２，３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。これは例えば
Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃ
ｕ、Ｐｄ等の金属或は合金及びＰｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ
Ｏ₂ 、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
導電体及びポリシリコン等の半導体導体材料等から適宜
選択することができる。

【００４１】素子電極間隔Ｌ１、素子電極長さＷ、導電
性膜４の形状等は、応用される形態等を考慮して、設計
される。

【００４２】素子電極間隔Ｌ１は、数百ｎｍ〜数百μｍ
の範囲とするのが好ましく、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μｍ〜数十μｍの範囲
とすることができる。

【００４３】素子電極長さＷは、電極の抵抗値や電子放
出特性を考慮して、数μｍ〜数百μｍの範囲とすること
ができる。また、素子電極の膜厚ｄは、数十ｎｍから数
μｍの範囲とすることができる。

【００４４】尚、図１に示した構成だけでなく、基板１
上に、導電性膜４、対向する素子電極２，３の順に積層
した構成とすることもできる。

【００４５】導電性膜４は２種類以上の材料からなり、
その材料は、良好な電子放出特性、十分な耐久性、素子
作製の簡便さなどを考慮して決定される。また、導電性
膜の膜厚は、素子電極２，３へのステップカバレージ、
素子電極２，３間の抵抗値等を考慮して適宜設定される
が、通常は、数Å〜数百ｎｍの範囲とするのが好まし
い。

【００４６】導電性膜４を構成する２種以上のそれぞれ
の材料としては、例えばＰｄ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｇ，Ａ
ｕ，Ｔｉ，Ｉｎ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｔ
ａ，Ｗ，Ｐｂ等の金属、ＰｄＯ，ＳｎＯ₂ ，Ｉｎ₂ Ｏ
₃ ，ＰｂＯ，Ｓｂ₂ Ｏ₃ 等の酸化物、ＨｆＢ₂ ，ＺｒＢ
₂ ，ＬａＢ₆ ，ＣｅＢ₆ ，ＹＢ₄ ，ＧｄＢ₄ 等の硼化
物、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣな
どの炭化物、ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ等の窒化物、Ｓ
ｉ，Ｇｅ等の半導体、カーボン等が挙げられ、適宜組合
わせて用いることができる。

【００４７】導電性膜４に形成されている間隙部５は、
集束イオンビーム技術などの微細加工技術によって形成
される。かかる間隙部５の間隔Ｌ２は、１００ｎｍ以下
である。間隙部５の間隔Ｌ２が１００ｎｍを超えると、
後述する活性化処理により均一且つ良質な炭素又は／及
び炭素化合物を当該間隙部５に堆積させることが困難と
なり、高効率で均一な電子放出特性が得難くなる。

【００４８】電子放出部６は、後述する活性化処理によ
り、前記間隙部及びその近傍の少なくとも一部に炭素又
は／及び炭素化合物を堆積して形成されている。また、
電子放出部６の内部には、数Åから数十ｎｍ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。

【００４９】次に、垂直型の電子放出素子について説明
する。

【００５０】図２は、本発明の垂直型の電子放出素子の
一構成例を示す模式図であり、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。
２１は、段差形成部である。基板１、導電性膜４、電子
放出部６は、前述した平面型の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。この図では、導電性
膜と素子電極を同一の材料で構成している。

【００５１】段差形成部２１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。その膜厚は、先に述べた平面型の
電子放出素子の素子電極間隔Ｌ１に対応し、数百ｎｍ〜
数十μｍの範囲とすることができるが、製法及び素子電
極間に印加する電圧を考慮して、数十ｎｍ〜数μｍの範
囲とするのが好ましい。

【００５２】尚、他の各部の寸法及び形状等は、前述し
た平面型の電子放出素子の場合と同様に設計することが
できる。

【００５３】上述の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３の製造工程図に基づ
いて以下に説明する。尚、図３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。

【００５４】１）基板１を洗剤、純水及び有機溶剤等を
用いて十分に洗浄した後、真空蒸着法、スパッタ法等に
より素子電極材料を堆積後、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２，３を形成する
（図３（ａ））。

【００５５】２）素子電極２，３を設けた基板１上に、
真空蒸着により２種類の金属を順次堆積させ、リフトオ
フ、エッチング等を用いてパターニングすることによ
り、２層構造を有する導電性膜４を形成する（図３
（ｂ））。ここでは、真空蒸着法を挙げて説明したが、
導電性膜４の形成法はこれに限られるものではなく、有
機金属の塗布法、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。また、積層構造の形態によって、各形成法を
複合して用いる場合もある。

【００５６】３）つづいて、集束イオンビームを用いて
導電性膜４の一部を削り取り、間隙部５を形成する（図
３（ｃ））。かかる間隙部５の形成には、先述した間隔
Ｌ２の加工が可能であれば他の方法を用いても構わず、
例えばリソグラフィー技術等を用いることもできる。

【００５７】４）次に、活性化工程と呼ばれる処理を施
す。活性化工程とは、導電性膜４に形成した間隙部５及
びその近傍の少なくとも一部に、炭素あるいは炭素化合
物を堆積させ、電子放出部６を形成する（図３（ｄ））
工程である。

【００５８】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、素子電極２，３間に図４に示すよ
うな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、前述の素子の
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出来、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間隙
部５及びその近傍の少なくとも一部に堆積し、素子電流
Ｉｆ，放出電流Ｉｅが、著しく変化して増加するように
なり、電子放出部６が形成される。

【００５９】炭素あるいは炭素化合物とは、例えばグラ
ファイト（いわゆるＨＯＰＧ，ＰＧ，ＧＣを包含するも
ので、ＨＯＰＧはほぼ完全なグラファイト結晶構造、Ｐ
Ｇは結晶粒が２０ｎｍ程度で結晶構造がやや乱れたも
の、ＧＣは結晶粒が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、５０ｎｍ以下の範囲とするのが好ましく、
３０ｎｍ以下の範囲とすることがより好ましい。

【００６０】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、適宜行うことができる。
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。

【００６１】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。

【００６２】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には、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、上記炭素あるいは炭素化合物がほぼ
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、８０〜２５０℃好ましくは１５０℃
以上で、できるだけ長時間処理するのが望ましいが、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、１×１０^-7Ｔｏｒｒ以下が好ましく、さら
には１×１０^-8Ｔｏｒｒ以下が特に好ましい。

【００６３】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Ｉｅ
が、安定する。

【００６４】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５，図６を
参照しながら説明する。

【００６５】図５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５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。

【００６６】図５において、５５は真空容器であり、５
６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。また、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
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５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、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５４の電圧を１ｋＶ〜１
０ｋＶの範囲とし、アノード電極５４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。

【００６７】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。

【００６８】排気ポンプ５６は、ターボポンプ、ロータ
リーポンプ等からなる通常の高真空装置系と、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。ここに示した電子放出素子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加熱できる。従っ
て、この真空処理装置を用いると、前述の活性化工程以
降の工程も行うことができる。

【００６９】図６は、図５に示した真空処理装置を用い
て測定された放出電流Ｉｅ及び素子電流Ｉｆと、素子電
圧Ｖｆとの関係を模式的に示した図である。図６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。

【００７０】図６からも明らかなように、本発明の電子
放出素子は、放出電流Ｉｅに関して次の３つの特徴的性
質を有する。

【００７１】即ち、第１に、本素子はある電圧（閾値電
圧と呼ぶ；図６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、一方閾値電圧Ｖｔｈ以
下では放出電流Ｉｅが殆ど検出されない。つまり、放出
電流Ｉｅに対する明確な閾値電圧Ｖｔｈを持った非線形
素子である。

【００７２】第２に、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。

【００７３】第３に、アノード電極５４（図５参照）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。

【００７４】以上の説明より理解されるように、本発明
の電子放出素子は、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。

【００７５】図６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。）例を示したが、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）。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。

【００７６】本発明を適用可能な電子放出素子の応用例
について以下に述べる。本発明の電子放出素子を複数個
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。

【００７７】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、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梯子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
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。

【００７８】本発明の電子放出素子については、前述し
た通り３つの特性がある。即ち、電子放出素子からの放
出電子は、閾値電圧以上では、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、
閾値電圧以下では、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、電子放出素子を選択して電子放出量を制御でき
る。

【００７９】以下この原理に基づき、本発明の電子放出
素子を複数配して得られる電子源基板について、図７を
用いて説明する。図７において、７１は電子源基板、７
２はＸ方向配線、７３はＹ方向配線である。７４は電子
放出素子、７５は結線である。

【００８０】ｍ本のＸ方向配線７２は、Ｄｘ１，Ｄｘ
２，……，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、幅は適宜設計される。
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）。

【００８１】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。

【００８２】電子放出素子７４を構成する一対の素子電
極（不図示）は、それぞれｍ本のＸ方向配線７２とｎ本
のＹ方向配線７３に、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。

【００８３】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。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。

【００８４】Ｘ方向配線７２には、Ｘ方向に配列した電
子放出素子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、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。

【００８５】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。

【００８６】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８と図９及び
図１０を用いて説明する。図８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９は、図８の画像
形成装置に使用される蛍光膜の模式図である。図１０
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。

【００８７】図８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℃の温度範囲
で１０分間以上焼成することで、封着して構成される。

【００８８】７４は、図１に示したような電子放出素子
である。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方向配線あ
る。

【００８９】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を構成してもよい。一方、フェースプレート８６とリ
アプレート８１の間に、スぺ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
度をもつ外囲器８８を構成することもできる。

【００９０】図９は、蛍光膜を示す模式図である。蛍光
膜８４は、モノクロームの場合は蛍光体のみで構成する
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（図９（ａ））あるいはブ
ラックマトリクス（図９（ｂ））等と呼ばれる黒色導電
材９１と蛍光体９２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
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。

【００９１】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、沈澱法や印刷法等
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８
６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Ａｌを真空蒸着等を用いて堆積させることで作製でき
る。

【００９２】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。

【００９３】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る必要があり、十分
な位置合わせが不可欠となる。

【００９４】図８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。

【００９５】外囲器８８内は、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
ンプ等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
機物質の十分に少ない雰囲気にした後、封止が成され
る。外囲器８８の封止後の真空度を維持するために、ゲ
ッター処理を行うこともできる。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
周波加熱等を用いた加熱により、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１×１０^-7
Ｔｏｒｒ以上の真空度を維持するものである。ここで、
電子放出素子の活性化処理以降の工程は適宜設定でき
る。

【００９６】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１０を用いて説明する。図１０において、
１０１は画像表示パネル、１０２は走査回路、１０３は
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、１０７は変調信号発
生器、Ｖｘ及びＶａは直流電圧源である。

【００９７】表示パネル１０１は、端子Ｄｘ１乃至Ｄｘ
ｍ、端子Ｄｙ１乃至Ｄｙｎ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Ｄｘ１乃至Ｄｘｍ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電子放出
素子群を１行（ｎ素子）づつ順次駆動する為の走査信号
が印加される。端子Ｄｙ１乃至Ｄｙｎには、前記走査信
号により選択された１行の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１０Ｋ
［Ｖ］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。

【００９８】走査回路１０２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（図中、Ｓ１乃至Ｓ
ｍ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
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１０１の端子Ｄｘ１乃至Ｄｘｍと電気的に接
続される。各スイッチング素子Ｓ１乃至Ｓｍ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。

【００９９】直流電圧源Ｖｘは、本例の場合には電子放
出素子の特性（電子放出閾値電圧）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閾値電圧
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。

【０１００】制御回路１０３は、外部より入力される画
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Ｔｓｃａｎ，Ｔｓｆｔ及びＴ
ｍｒｙの各制御信号を発生する。

【０１０１】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。このＤＡＴＡ信号は、シフトレジスタ１０
４に入力される。

【０１０２】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。

【０１０３】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、制御回路１０３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに従
って適宜Ｉｄ１乃至Ｉｄｎの内容を記憶する。記憶され
た内容は、Ｉｄ’１乃至Ｉｄ’ｎとして出力され、変調
信号発生器１０７に入力される。

【０１０４】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Ｄｙ１乃至Ｄｙｎを通じて表示パネル１０１
内の電子放出素子に印加される。

【０１０５】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閾値電圧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。電子放出閾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、電子放出閾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Ｖ
ｍ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。

【０１０６】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。電圧変調方式を実施するに際して
は、変調信号発生器１０７としては、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電圧パル
スの波高値を変調でき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。

【０１０７】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。

【０１０８】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。

【０１０９】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。

【０１１０】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Ｄｘ１乃至Ｄｘｍ、Ｄｙ１乃至Ｄｙｎ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。

【０１１１】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。

【０１１２】次に、前述の梯子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。

【０１１３】図１１は、梯子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。１１２は、電子放出
素子１１１を接続するための共通配線Ｄ１〜Ｄ１０であ
り、これらは外部端子として引き出されている。電子放
出素子１１１は、基板１１０上に、Ｘ方向に並列に複数
個配置されている（これを素子行と呼ぶ）。この素子行
が複数個配置されて、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、電子放出閾値以上の電圧を印加
し、電子ビームを放出させたくない素子行には、電子放
出閾値以下の電圧を印加する。各素子行間に位置する共
通配線Ｄ２〜Ｄ９は、例えばＤ２とＤ３を一体の同一配
線とすることもできる。

【０１１４】図１２は、梯子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。１２０はグリッド電極、１２１は電子が通過するた
めの開口、Ｄ１乃至Ｄｍは容器外端子、Ｇ１乃至Ｇｎは
グリッド電極１２０と接続された容器外端子である。１
１０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１２においては、図８、図１１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８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１１０とフェースプレート８６の間にグ
リッド電極１２０を備えているか否かである。

【０１１５】図１２においては、基板１１０とフェース
プレート８６の間には、グリッド電極１２０が設けられ
ている。グリッド電極１２０は、電子放出素子１１１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、
梯子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１２１が設けられている。グリッ
ド電極の形状や配置位置は、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、グリッド電極を電子
放出素子の周囲や近傍に設けることもできる。

【０１１６】容器外端子Ｄ１乃至Ｄｍ及びグリッド容器
外端子Ｇ１乃至Ｇｎは、不図示の制御回路と電気的に接
続されている。

【０１１７】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）して行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。

【０１１８】以上説明した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。

【０１１９】

【実施例】以下に、具体的な実施例を挙げて本発明を説
明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものでは
なく、本発明の目的が達成される範囲内での各要素の置
換や設計変更がなされたものをも包含する。

【０１２０】［実施例１］本実施例に係る電子放出素子
の構成は、図１と同様である。図１において、１は基
板、２と３は素子電極、４は導電性膜、５は間隙部、６
は電子放出部である。

【０１２１】本実施例に係わる電子放出素子の製造法
は、基本的には図３と同様であり、以下、図１及び図３
を用いて、本実施例に係る素子の構成及び製造法を順を
追って説明する。

【０１２２】基板１として石英ガラス基板を用い、これ
を有機溶剤によって十分に洗浄後、該基板１上に、厚さ
５ｎｍのＴｉ、及び厚さ３０ｎｍのＰｔを真空蒸着し、
Ｗ＝３００μｍ、Ｌ１＝１０μｍの素子電極２，３を形
成した（図３（ａ））。

【０１２３】上記素子電極２，３間に、１５ｎｍのＰｔ
膜４ａを蒸着し、さらに１５ｎｍのＷ膜４ｂをスパッタ
ーにより堆積させ、２層構造を持った導電性膜４を形成
した（図３（ｂ））。

【０１２４】次に、ガリウムイオンを用いたＦＩＢによ
り導電性膜４を局所的に除去し、長さ１００μｍ、間隔
Ｌ２＝３０ｎｍの間隙部５を形成した（図３（ｃ））。

【０１２５】次に、上記素子を図５の真空処理装置の真
空容器５５内に設置し、ロータリーポンプ５６にて排気
し、真空容器５５内を約２×１０^-3Ｔｏｒｒの真空度と
した。この後、電源５１より、素子電極２，３間に電圧
を印加して活性化処理を行い、電子放出部６を形成した
（図３（ｄ））。活性化処理に用いた電圧波形は図４
（ａ）に示したものである。

【０１２６】本実施例の活性化処理では、電圧波形のパ
ルス幅Ｔ１を１ｍｓ、パルス間隔Ｔ２を１０ｍｓとし、
三角波の波高値（活性化時のピーク電圧）は１６Ｖと
し、１時間行った。

【０１２７】その後、排気ポンプをイオンポンプを用い
た超真空排気装置に切り換え、真空容器５５内の真空度
を３×１０^-6Ｔｏｒｒとした後、電子放出特性を評価し
た。

【０１２８】本実施例では、アノード電極５４と電子放
出素子間の距離Ｈを５ｍｍ、アノード電極の電位を１ｋ
Ｖとし、素子電極２，３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を測定したとこ
ろ、図６に示したような電圧−電流特性が得られた。本
素子では、素子電圧７Ｖ程度から急激に放出電流Ｉｅが
増大し、素子電圧１６Ｖでは素子電流Ｉｆが１．８ｍ
Ａ、放出電流Ｉｅが２．２μＡとなり、電子放出効率η
＝Ｉｅ／Ｉｆ（％）は０．１２％であった。

【０１２９】また、本実施例の素子を、パルス幅１ｍ
ｓ、パルス間隔２ｍｓの矩形波で連続して一定時間駆動
したところ、素子電流Ｉｆが１．２ｍＡ、放出電流Ｉｅ
が１．２μＡとなり、電子放出効率η＝Ｉｅ／Ｉｆ
（％）は０．１０％であった。通常、表面伝導型電子放
出素子を画像形成装置として利用する場合、パルス幅
０．１ｍｓ、パルス間隔１０ｍｓ程度であるから、上記
連続駆動は、通常の駆動条件の５０倍程度の加速試験に
相当する。この寿命は、Ｐｔのみを導電性膜として利用
したときよりも良好であり、これは、高融点金属である
Ｗの効果であると考えられる。

【０１３０】［実施例２］本実施例では、実施例１と同
様に素子電極を作製した。

【０１３１】つづいて、図１３に示すように、厚さ１５
ｎｍのＰｔ膜４ａを素子電極２，３間に蒸着した上に、
厚さ１５ｎｍのＮｉ膜４ｂをストライプ状に真空蒸着に
より堆積させて、導電性膜４を形成した。

【０１３２】つづいて、上記ストライプ状のＮｉ膜４ｂ
と交差する方向に、集束イオンビームにより幅４０ｎｍ
の間隙部を形成した。

【０１３３】本実施例での活性化処理は、超高真空に排
気された真空装置内に、アセトンを５×１０^-3Ｔｏｒｒ
導入した雰囲気において行った。活性化処理に用いたパ
ルス波形は矩形波であり、波高値は図４（ｄ）のように
１０Ｖから１８Ｖまで４０分かけて漸次的に増加させ
た。

【０１３４】この活性化処理の後、アセトンを排気し超
高真空下において素子特性を測定したところ、素子電流
Ｉｆが３．８ｍＡ、放出電流Ｉｅが６．９μＡとなり、
電子放出効率η＝Ｉｅ／Ｉｆ（％）は０．１８％であっ
た。

【０１３５】この素子を、実施例１と同様に、パルス幅
１ｍｓ、パルス間隔２ｍｓの矩形波で連続して一定時間
駆動したところ、素子電流Ｉｆが３．０ｍＡ、放出電流
Ｉｅが３．７μＡとなり、電子放出効率η＝Ｉｅ／Ｉｆ
（％）は０．１６％であった。

【０１３６】本素子を上記測定の後、走査型電子顕微鏡
で観察したところ、Ｎｉを堆積させた部分には、堆積さ
せていない部分に比べて、活性化工程において堆積した
カーボンの量が多かった。また、分析の結果、このＮｉ
を堆積した部分に存在するカーボンの方が、他の部分の
カーボンよりも結晶性が高いことがわかった。この素子
の寿命が良好であった理由は、電子放出部に堆積したカ
ーボンの結晶性が高いために、駆動中の電子衝撃や高温
に対して十分な耐性を持っていたものと推測される。

【０１３７】［実施例３］本実施例は、多数の電子放出
素子を単純マトリクス配置した電子源を用いて、画像形
成装置を作製した例である。

【０１３８】複数の導電性膜がマトリクス配線された基
板の一部の平面図を図１４に示す。また、図中のＡ−
Ａ’断面図を図１５に示す。但し、図１４、図１５で同
じ符号で示したものは、同じ部材を示す。ここで１は基
板、７２は図７のＤｘｍに対応するＸ方向配線（下配線
とも呼ぶ）、７３は図７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、１６１は層間絶縁層、１６２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。

【０１３９】先ず、本実施例の電子源の製造方法を、図
１６及び図１７を用いて工程順に従って具体的に説明す
る。尚、以下に説明する工程−ａ〜ｈは、それぞれ図１
６の（ａ）〜（ｄ）及び図１７の（ｅ）〜（ｈ）に対応
する。

【０１４０】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１上に、真空蒸着によ
り厚さ５ｎｍのＣｒ、厚さ６００ｎｍのＡｕを順次積層
した後、フォトレジスト（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を形成した。

【０１４１】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１６１をＲＦスパッタ法により堆積した。

【０１４２】工程−ｃ上記工程で堆積したシリコン酸化膜にコンタクトホール
１６２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１６１をエッチングして
コンタクトホール１６２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。

【０１４３】工程−ｄ素子電極間ギャップＬ１となるべきパターンのフォトレ
ジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１／日立化成社製）を形
成し、真空蒸着法により、厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ１０
０ｎｍのＮｉを順次堆積した。上記フォトレジストパタ
ーンを有機溶剤で溶解し、Ｎｉ／Ｔｉ堆積膜をリフトオ
フして素子電極２，３を形成した。素子電極間隔Ｌ１は
３μｍ、素子電極長さＷは３００μｍとした。

【０１４４】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５００ｎｍ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。

【０１４５】工程−ｆ本工程に関わる導電性膜形成用のマスクは、素子電極間
ギャップ及びこの近傍に開口を有するマスクであり、こ
のマスクにより膜厚１００ｎｍのＣｒ膜１６３を真空蒸
着により堆積・パターニングし、その上に厚さ１５ｎｍ
のＰｔ、厚さ１５ｎｍのＷを順次堆積させ、導電性膜４
を形成した。

【０１４６】工程−ｇＣｒ膜１６３及び導電性膜４を、酸エッチャントにより
エッチングして、所望のパターンを有する導電性膜４を
得た。

【０１４７】工程−ｈコンタクトホール１６２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５００ｎｍ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１６２を埋め込んだ。

【０１４８】さらに、集束イオンビーム法を用いて導電
性膜４の一部を除去し、間隙部（不図示）を作製した。

【０１４９】以上の工程により、間隙部を有する複数の
導電性膜４がマトリクス配線された電子源基板１（図１
４）を作製し、次にこの電子源基板１を用いて画像形成
装置を作製した。作製手順を図８と図９を用いて説明す
る。

【０１５０】先ず、上記複数の導電性膜がマトリクス配
線された基板１（図１４）をリアプレート８１上に固定
した後、基板１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８
５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４３
０℃で１０分以上焼成することで封着した（図８）。な
お、リアプレート８１への基板１の固定もフリットガラ
スで行った。

【０１５１】蛍光膜８４は、カラーを実現するために、
ストライプ形状（図９（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、黒鉛を主成分
とする材料を用いた。

【０１５２】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。

【０１５３】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、本実施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。

【０１５４】以上のようにして完成した外囲器８８内の
雰囲気を排気管（不図示）を通じ排気装置にて排気し、
実施例１と同様の活性化処理を行い、さらに排気を行っ
て十分な真空度に達した後、容器外端子Ｄｘ１乃至Ｄｘ
ｍとＤｙ１乃至Ｄｙｎを通じ素子電極２，３間に実施例
１と同様のパルス電圧を印加し、素子電流Ｉｆ，放出電
流Ｉｅを測定しながら活性化処理を行った。

【０１５５】その後、不図示の排気管を通じ、外囲器８
８内を約１×１０^-5Ｔｏｒｒ程度の真空度まで排気し、
該排気管をガスバーナーで熱することで融着し、外囲器
８８の封止を行った。最後に、封止後の真空度を維持す
るために、高周波加熱法でゲッター処理を行った。

【０１５６】以上のようにして作製した表示パネルの容
器外端子Ｄｘ１乃至ＤｘｍとＤｙ１乃至Ｄｙｎ、及び高
圧端子８７を夫々必要な駆動系に接続し、画像形成装置
を完成した。各電子放出素子に、容器外端子Ｄｘ１乃至
ＤｘｍとＤｙ１乃至Ｄｙｎを通じて、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８
５に数ｋＶ以上の高圧を印加して、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。

【０１５７】本実施例における画像形成装置は、高輝度
で均一な画像を安定して表示することができた。

【０１５８】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、電
子放出素子の電子放出部の位置及び形状を、各素子間で
一定にすることができるので、均一な素子特性を持った
素子が得られる。また、導電性膜として異種材料を用い
た多層構造とし、且つ間隙部を微細加工技術によって形
成したことにより、電子放出効率が高く、耐久性に優れ
た電子放出素子を実現できる。

【０１５９】また、多数の電子放出素子を配列形成し、
入力信号に応じて電子を放出する電子源においては、各
電子放出素子の電子放出特性の均一化が実現され、かか
る電子源を用いた画像形成装置においては、輝度むら・
輝度低下等の画像品位の低下や消費電力の増大の問題も
解消され、高品位な画像形成装置、例えばカラーフラッ
トテレビが実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子放出素子の一例である平面型の電
子放出素子を模式的に示した図である。

【図２】本発明の電子放出素子の一例である垂直型の電
子放出素子を模式的に示した図である。

【図３】図１の電子放出素子の製造方法の一例を説明す
るための図である。

【図４】本発明の電子放出素子の製造に際して採用でき
る活性化処理における電圧波形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に用いることので
きる真空処理装置（測定評価装置）の一例を示す概略構
成図である。

【図６】本発明の電子放出素子の放出電流Ｉｅおよび素
子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆの関係の典型的な例を示す図
である。

【図７】本発明の単純マトリクス配置の電子源の一例を
示す模式図である。

【図８】本発明の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９】表示パネルにおける蛍光膜の一例を示す模式図
である。

【図１０】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１１】本発明の梯子型配置の電子源の一例を示す模
式図である。

【図１２】本発明の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１３】実施例２で用いた導電性膜の形状を説明する
ための模式図である。

【図１４】実施例３の画像形成装置に用いた電子源を示
す図である。

【図１５】実施例３に係る電子源の部分断面図である。

【図１６】実施例３に係る電子源の製造工程図である。

【図１７】実施例３に係る電子源の製造工程図である。

【図１８】従来例の表面伝導型電子放出素子の平面図で
ある。

【符号の説明】

１基板２，３素子電極４導電性膜４ａ，４ｂ積層構造をなす導電性膜の各層５間隙部６電子放出部２１段差形成部５０素子電流Ｉｆを測定するための電流計５１電子放出素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電
源５２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５３アノード電極５４に電圧を印加するための高圧電
源５４電子放出部５より放出される電子を捕捉するため
のアノード電極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８７高圧端子８８外囲器９１黒色導電材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，Ｖａ直流電圧源１１０電子源基板１１１電子放出素子１１２電子放出素子を配線するための共通配線１２０グリッド電極１２１電子が通過するための開口１６１層間絶縁層１６２コンタクトホール１６３Ｃｒ膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 9/02 H01J 1/316 H01J 29/04 H01J 31/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２種以上の異なる材料が積層した構造を
有する導電性膜を形成する工程と、該導電性膜に微細加
工技術を用いて、その間隔が１００ｎｍ以下の間隙部を
形成する工程と、該間隙部及びその近傍の少なくとも一
部に炭素又は／及び炭素化合物を有する電子放出部を、
有機物質のガスを含む雰囲気下において前記間隙部を介
して対向する一対の前記導電性膜間に電圧を印加するこ
とにより形成する工程とを有することを特徴とする電子
放出素子の製造方法。
【請求項２】前記微細加工技術が、集束イオンビーム
技術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。
【請求項３】前記微細加工技術が、リソグラフィー技
術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。
【請求項４】基板上に複数の電子放出素子が配置され
ており、入力信号に応じて電子を放出する電子源の製造
方法であって、前記複数の電子放出素子が請求項１〜３
のいずれかに記載の方法にて製造されることを特徴とす
る電子源の製造方法。
【請求項５】電子源と画像形成部材を備え、入力信号
に基づいて画像を形成する画像形成装置の製造方法であ
って、前記電子源が請求項４に記載の方法にて製造され
ることを特徴とする画像形成装置の製造方法。