JP3599574B2 - 電子放出素子、それを用いた電子源及び画像形成装置 - Google Patents

Description

【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、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に関わり、詳しくは工程の簡素化、及び素子特性の均一化のための構造に関する。
【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、「ＭＩＭ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 ａｎｄ Ｗ．Ｗ． Ｄｏｌａｎ，“Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ”， Ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ８，８９（１９５６）あるいはＣ．Ａ． Ｓｐｉｎｄｔ， “Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃａｔｈｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ ｃｏｎｅｓ”， Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ，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． Ｍｅａｄ， “Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆＴｕｎｎｅｌ−Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ”， Ｊ． Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．， 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， Ｒａｄｉｏ Ｅｎｇ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈｙｓ．， 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：“Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ”， ９，３１７（１９７２）］、Ｉｎ_２ Ｏ_３ ／ＳｎＯ_２ 薄膜によるもの［Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌ ａｎｄ Ｃ．Ｇ． Ｆｏｎｓｔａｄ：“ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ＥＤ Ｃｏｎｆ．”， 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５に模式的に示す。同図において１は基板である。６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７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６に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７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６の両端に電圧を印加通電し、導電性膜６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７を形成する処理である。尚、電子放出部７では導電性膜６の一部に亀裂（狭間隙）が発生しており、その亀裂付近から電子放出が行われる。通電フォーミングした表面伝導型電子放出素子は、上述導電性膜６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７より電子を放出せしめるものである。
【０００９】
上述の表面伝導型電子放出素子は、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】
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（例えば、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】
前述のように、従来、電子放出部７を形成するために、導電性膜６を通電処理し、該導電性膜の一部を局所的に破壊、変形もしくは変質せしめる工程（フォーミング工程）を施し、このフォーミングを施した素子に対して、活性化工程を施すことによって素子はより多くの電子を放出するようになる。
【００１４】
従来の活性化工程は、有機物質のガスを含有する雰囲気下で、電圧パルスを繰り返し印加することで行うもので、この処理により雰囲気中に存在する有機物質から炭素、或いは炭素化合物が導電性膜の狭間隙及びその周囲に堆積し、素子電流Ｉ_ｆ 、放出電流Ｉ_ｅ が著しく変化して増加するようになる。
【００１５】
しかし、このような従来の活性化工程を用いた場合、有機物質のガスを所望の圧力で、均一に導入するために比較的長い時間が必要である場合が多く、また、真空容器のサイズ等の条件によっては有機物質の圧力の均一性に問題があり、素子特性の均一性に問題が生じる場合があった。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した問題に鑑みなされたもので、活性化工程に要する時間を短縮し、かつ、多数の電子放出素子を作成する場合において、全ての素子を、局所的な有機ガス圧分布の影響を受けない同一の条件で活性化することで、均一性に優れた電子源を作成することを目的としている。上記目的は以下の構成により達成される。
【００１７】
即ち、本発明は、基板上に形成された一対の電極間に、電子放出部を含む導電性膜を有する電子放出素子において、該基板の少なくとも該導電性膜が位置する部分が、ＳｉＯ₂と炭素の複合体であることを特徴とする電子放出素子、及びそれを利用した電子源、画像形成装置である。特に、上記基板が、多孔質ガラスに有機物を吸着させた後に該有機物を細孔内で炭素化して得られたものである場合、炭素と基板材料であるＳｉＯ₂とが非常に微細なレベルで混合した複合体を作成することができ、極めて良好な電子放出特性を達成することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施態様を具体的に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の電子放出素子の一構成例を模式的に示したものであり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は断面図である。
【００２０】
図１において、１はＳｉＯ_２ と炭素の複合体が形成されている基板、２と３は電極（素子電極）、４は導電性膜、５は電子放出部である。
【００２１】
ＳｉＯ_２ と炭素の複合体が形成された基板１は、多孔質ガラスに有機物を含浸、吸着させた後、不活性または還元性の雰囲気において焼成し、有機物を細孔内で炭素化することによって得ることができる。この様な方法で作成した場合、複合体中の炭素の粒径は約５０Åであり、非常に細かいレベルでＳｉＯ_２ と炭素との混合が達成される。この複合体基板を作成するのに用いる多孔質ガラスとしては、例えば、Ｎａ_２ Ｏ−Ｂ_２ Ｏ_３ −ＳｉＯ_２ 系のホウケイ酸塩ガラスの相分離現象を利用して作成したものが一般的であり、その製法については、例えば、牧島亮男著「機能性ガラス入門」（アグネ社）９８頁に記載されている。含浸させる有機物としてはサッカロース、フルフリルアルコール等を使用することができ、例えばＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ 第５５巻 １１号 ９９９〜１００４頁にその詳細が記載されている。
【００２２】
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。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、ＲｕＯ_２ 、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、Ｉｎ_２ Ｏ_３ −ＳｎＯ_２ 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。
【００２３】
素子電極間隔Ｌ、素子電極長さＷ_１ 、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。
【００２４】
素子電極間隔Ｌは、好ましくは、数百ｎｍから数百μｍ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１μｍから１００μｍの範囲とすることができる。
【００２５】
素子電極長さＷ_１ は、電極の抵抗値、電子放出特性を考慮して数μｍから数百μｍの範囲とすることができ、素子電極の膜厚は、１０ｎｍから１μｍの範囲とすることができる。
【００２６】
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。
【００２７】
導電性膜４を構成する材料は、例えばＰｄ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｉｎ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｗ，Ｐｂ等の金属、ＰｄＯ，ＳｎＯ_２ ，Ｉｎ_２ Ｏ_３ ，ＰｂＯ，Ｓｂ_２ Ｏ_３ 等の酸化物、ＨｆＢ_２ ，ＺｒＢ_２ ，ＬａＢ_６ ，ＣｅＢ_６ ，ＹＢ_４ ，ＧｄＢ_４ 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。
【００２８】
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Å〜数百ｎｍの範囲とするのが好ましく、より好ましくは１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲とするのが良い。その抵抗値は、Ｒｓが１０^２ から１０^７ 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値で、薄膜材料の抵抗率をρとすると、Ｒｓ＝ρ／ｔで表される。
【００２９】
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、数百ｐｍ〜１μｍの範囲、好ましくは、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲である。
【００３０】
電子放出部５は、導電性膜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、１００ｎｍ以下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。また、電子放出部５及びその近傍の導電性膜４には、炭素あるいは炭素化合物を含む場合もある。
【００３１】
上述の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あるが、その一例を図２に基づいて説明する。尚、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。
【００３２】
１）多孔質ガラス基板と有機物の溶液中に含浸させ、不活性、または還元性の雰囲気中において焼成し、有機成分を炭化させ、ＳｉＯ_２ −炭素複合体の基板１を形成する（図２（ａ））。
【００３３】
２）この基板１上に素子電極材料を堆積した後、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて、素子電極２及び３を形成する（図２（ｂ））。
【００３４】
３）素子電極２，３を設けた基板１上に、有機金属溶液を塗布して、有機金属膜を形成する。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化合物の溶液を用いることができる。この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２（ｃ））。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、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。
【００３５】
４）続いて、フォーミング処理を施す。このフォーミング処理には通電処理法、微細加工技術を用いた方法等、種々の方法があるが、ここではその一例として通電処理による方法を説明する。
【００３６】
素子電極２，３間に電源（不図示）を用いて通電を行うと、導電性膜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（ｄ））。通電フォーミングによれば、導電性膜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となる。
【００３７】
通電フォーミングの電圧波形の例を図３に示す。電圧波形は、特に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３（ａ）に示した手法と、パルス波高値を増加させながらパルスを印加する図３（ｂ）に示した手法とがある。
【００３８】
図３（ａ）におけるＴ_１ 及びＴ_２ は、電圧波形のパルス幅とパルス間隔である通常、Ｔ_１ は１μｓｅｃ．〜１０ｍｓｅｃ．、Ｔ_２ は１０μｓｅｃ．〜１００ｍｓｅｃ．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、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、矩形波等の所望の波形を採用することができる。
図３（ｂ）におけるＴ_１ 及びＴ_２ は、図３（ａ）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０．１Ｖステップ程度づつ、増加させることができる。
【００３９】
通電フォーミング処理の終了は、パルス間隔Ｔ_２ 中に、導電性膜４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。
【００４０】
５）次に、活性化工程と呼ばれる処理を施す。活性化工程とは、この工程により、活性化工程前は殆ど０であった素子電流Ｉ_ｆ ，放出電流Ｉ_ｅ が、著しく変化して増加する工程である。
【００４１】
活性化工程は、本発明の素子の場合、真空中において図３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。この処理により、炭素化合物が導電性膜４の狭間隙（電子放出部５）及びその周囲に堆積し、素子電流Ｉ_ｆ ，放出電流Ｉ_ｅ が著しく増加して変化するようになり、電子放出機能が付与される。本発明では、活性化の際に堆積する炭素は基板中から供給されるために、従来の活性化のように有機物ガス雰囲気を作り出す必要はない。
【００４２】
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を包含するもので、ＨＯＰＧはほぼ完全なグラファイト結晶構造、ＰＧ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。
【００４３】
本発明の電子放出素子の活性化過程に伴う素子の形態の変化を電子顕微鏡で調べたところ、活性化の進行に伴って、フォーミングの際に形成された導電性膜の狭間隙部の基板が変質しており、非常に狭い亀裂状の構造が形成されていることがわかった。本発明の素子の活性化に伴う変化については、未だ明らかになっていない部分が多いが、基板の一部の形態及び組成が変化して、電子放出部により大きな電界が印加されるような構造になる過程が含まれていると推測している。
【００４４】
活性化工程の終了判定は、素子電流Ｉ_ｆ と放出電流Ｉ_ｅ を測定しながら、適宜行うことができる。なお、パルス形状、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。
【００４５】
６）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。
【００４６】
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１．３×１０^−６Ｐａ以下が好ましく、さらには１．３×１０^−８Ｐａ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、１．３×１０^−５Ｐａ以下が好ましく、さらには１．３×１０^−６Ｐａ以下が特に好ましい。
【００４７】
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Ｉ_ｆ ，放出電流Ｉ_ｅ が、安定する。
【００４８】
図４は、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。
【００４９】
図４において、４５は真空容器であり、４６は排気ポンプである。真空容器４５内には電子放出素子が配されている。また、４１は電子放出素子に素子電圧Ｖ_ｆ を印加するための電源、４０は素子電極２，３間を流れる素子電流Ｉ_ｆ を測定するための電流計、４４は素子の電子放出部５より放出される放出電流Ｉ_ｅ を捕捉するためのアノード電極、４３はアノード電極５４に電圧を印加するための高圧電源、４２は電子放出部５より放出される放出電流Ｉ_ｅ 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４４の電圧を１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲とし、アノード電極４４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。
【００５０】
真空容器４５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。
【００５１】
排気ポンプ４６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、前述の通電フォーミング以降の工程も行うことができる。
【００５２】
本発明の電子放出素子は、例えば、特開平８−３２１２５４号公報に記載されているように、放出電流Ｉ_ｅ に関して次の３つの特徴的性質を有する。
【００５３】
即ち、（Ｉ）本素子はある電圧（しきい値電圧Ｖ_ｔｈ）以上の素子電圧を印加すると急激に放出電流Ｉ_ｅ が増加し、一方閾値電圧Ｖ_ｔｈ以下では放出電流Ｉ_ｅ が殆ど検出されない。つまり、放出電流Ｉ_ｅ 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。
【００５４】
（ＩＩ）放出電流Ｉ_ｅ が素子電圧Ｖ_ｆ に単調増加依存するため、放出電流Ｉ_ｅ は素子電圧Ｖ_ｆ で制御できる。
【００５５】
（ＩＩＩ）アノード電極に捕捉される放出電荷は、素子電圧Ｖ_ｆ を印加する時間に依存する。つまり、アノード電極に捕捉される電荷量は、素子電圧Ｖ_ｆ を印加する時間により制御できる。
【００５６】
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。
【００５７】
本発明の電子放出素子の応用例としては、本発明の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た、例えば電子源あるいは画像形成装置が挙げられる。
【００５８】
本発明を適用し得る表面伝導型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。例えば特開平７−２３５２５５号公報に記載されているような、電子放出素子をＸ方向及びＹ方向に行列状に複数個配置し、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単純マトリクス配置の電子源、及び画像形成装置が挙げられる。
【００５９】
また、これとは別に、特開平８−３２１２５４号公報に記載されているような、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電子源、及び画像形成装置がある。
【００６０】
【実施例】
以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳しく説明するが、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も包含する。
【００６１】
（実施例１）
本実施例で作成した素子の基本的な構成は、図１に示した構成と同様である。また、その製造方法は図２に示したものと基本的に同一である。
【００６２】
以下、図１及び図２を用いて本実施例の素子の構成、及び製造方法を説明する。
【００６３】
工程−１
コーニング社の多孔質ガラス＃７９３０（ポーラスバイコール）を２０％フルフリルアルコール溶液（Ｈ_２ Ｏ：エタノール＝１：１溶媒）に浸漬（２２℃、１時間）し、フルフリルアルコールを含浸させる。次に、含浸させた多孔質ガラスを、２００℃のオーブン中に入れ、フルフリルアルコールを重合させ、不揮発性のポリフルフリルアルコール樹脂にする。これをさらに、９２％Ｎ_２ と８％Ｈ_２ の混合ガスフローの雰囲気中で１２４０℃に焼成し、ＳｉＯ_２ −カーボン複合体基板を得た。この手法によるＳｉＯ_２ −カーボン複合体の作成方法については、例えば、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ 第５５巻 ９９９頁ページ（１９７６年）に、詳細な報告がなされており、作成条件によって得られる複合体の抵抗値を広い範囲で変化させることができる。本実施例で得られたＳｉＯ_２ −カーボン複合体の体積抵抗率は２×１０^８ Ω・ｃｍであった。この複合体基板の表面を研磨し、これを基板１として用いた（図２（ａ））。
【００６４】
工程−２
この基板１を洗浄した後、基板１上に厚さ５ｎｍのＴｉ、及び厚さ３０ｎｍのＰｔを真空蒸着し、フォトリソグラフィーの工程によりそれぞれの素子電極パターン２，３を形成した（図２（ｂ））。
【００６５】
工程−３
この素子電極２，３に跨がる所定のパターンで、膜厚３ｎｍのＰｄＯ薄膜４をフォトリソグラフィーの工程により形成した。作成した素子の素子電極間隔Ｌは１０μｍ、素子電極長さＷ_１ は５００μｍ、素子長さＷ_２ は１００μｍである（図２（ｃ））。
【００６６】
工程−４
このようにして作成した素子に対してフォーミング工程を施し、電子放出部５を形成した（図２（ｄ））。これについて説明する。フォーミングは、素子の（＋）電極と（−）電極間に通電を行なうことで電子放出部を形成する通電フォーミングを用いた。本実施例では、（＋）電極をグランドレベルにし、（−）電極側に負の電圧を印加して行なった。通電フォーミングに用いた電圧波形は、三角波のパルスで、パルス幅１ｍｓｅｃ．、パルス間隙１０ｍｓｅｃ．とし、電圧を２Ｖ／分、０．ｌＶステップで上昇させた。電圧が１６Ｖに達したときに素子を流れるオーミックな電流はほとんど０となり、フォーミングが終了した。
【００６７】
工程−５
このようにフォーミングを行った素子に対して、次に活性化の工程を施した。本実施例で作成した電子放出素子の活性化等を行うための真空装置は、前述したように、基本特性を測定するための測定評価装置としての機能をも兼ね備えている図４の様な真空処理装置で、真空中において素子電流Ｉ_ｆ 、及び放出電流Ｉ_ｅ を測定できるような構成になっている。本実施例では、１．０×１０^−６Ｐａの真空中において、±１５Ｖの矩形パルスを連続して印加することで活性化を行なった。本実施例では、（＋）電極側をグランドレベルにしておいて、（−）電極側に電圧パルスを印加した。矩形パルスの幅は１ｍｓｅｃ．、パルス間隔は５ｍｓｅｃ．とし、１パルス毎にパルスの極性を逆転させ、１２０分間連続印加した。この活性化処理によって、活性化前にはほとんど０であった素子電流Ｉ_ｆ は活性化を行った１０素子の平均で２．０ｍＡまで増加した。１２０分経過した時点で素子電流の増加はほとんど止まっており、それ以上パルスを印加し続けてもほとんど変化はなかった。
【００６８】
これと同一の素子を１０素子作成し、これと同一の条件で活性化を行った結果、素子間でのＩ_ｆｍａｘの値のばらつきは８％以内と小さいものであった。
【００６９】
工程−６
活性化を終えた素子は、イオンポンプ、ターボモレキュラーポンプ、及びスクロールポンプを排気装置として用いた活性化を行ったのと同じ真空容器内で、１５０℃で８時間加熱され、有機物質を除去する安定化工程を施した。この場合、真空容器全体も加熱を行なった。
【００７０】
以上のようにして作成した素子について、素子の電子放出特性を、図４に示した測定評価装置により測定した。素子の評価を行なったのは、安定化を行なったのと同じ真空容器内で、真空度は１．００×１０^−７Ｐａであった。アノード電極４４はこの真空容器内に設置されている。尚、本実施例で用いた真空装置は、所望の真空度に容器内を保った状態で、素子の評価ができるように構成されている。
【００７１】
本実施例ではアノード電極４４と電子放出素子の距離Ｈを４ｍｍ、アノード電極の電位を１ｋＶとした。
【００７２】
電子放出特性の測定は、本電子放出素子の（＋）と（−）の電極間に素子電圧Ｖ_ｆ を印加し、その際に流れる素子電流Ｉ_ｆ 、及び放出電流Ｉ_ｅ を測定して行なった。
【００７３】
安定化後の初期における１０素子の素子特性の平均値は、素子電流Ｉ_ｆ ＝２．１ｍＡ、放出電流Ｉ_ｅ ＝２．６μＡであり、素子間でのばらつきは、６％以内であった。
【００７４】
（実施例２）
本実施例は、単純マトリクス配線した電子源、及びそれを用いた画像形成装置に本発明の素子を用いた例である。実際の画像形成装置の構成は、例えば特開平７−２３５２５５号公報に記載されている構造と基本的に同じである。使用した基板は、実施例１で作成したのと同じ手順で作成したＳｉＯ_２ −カーボン複合体である。素子の数は、Ｘ方向、Ｙ方向とも８０個である。それぞれの素子電極、及び配線は、実施例１で用いたものと同じ５ｎｍのＴｉ及び３０ｎｍのＰｔで、Ｘ方向配線とＹ方向配線の間には絶縁層としてＳｉＯ_２ が設けられている。電子放出部を形成するための導電性膜としては、実施例１と同じ３ｎｍの膜厚のＰｄＯを用いた。これらは全てフォトリソグラフィーの工程によって作られている。
【００７５】
８０×８０個の表面伝導型電子放出素子が形成されている基板を固定したリアプレート支持枠、及び内面に蛍光膜とメタルバックが形成されたフェースプレートを、フリットガラス等を塗布した後に大気中、あるいは窒素中で４２０℃で１０分間以上焼成することで封着して外囲器を作成した。封着は完全であり、リーク等はなかった。
【００７６】
外囲器を形成した後、基板上の８０×８０個の素子に対して、まずフォーミングを施した。本実施例では、フォーミングは、Ｘ配線に接続した端子をグランドレベルに接続し、Ｙ配線にパルス電圧を印加して１ラインずつ行ったが、フォーミングの方法はこれに限定されるものではない。フォーミングの際に素子を流れる電流の測定より、フォーミングはどのラインも均一に、且つほぼ完全に行われたことが確かめられた。
【００７７】
フォーミング工程を終えた後、活性化を行った。活性化は、前述の外囲器を真空排気ラインに接続し、外囲器内を１．０×１０^−５Ｐａ以下の真空状態にした後、各素子に対して実施例１と同じ条件の、±１５Ｖ、パルス幅１ｍｓｅｃ．、パルス間隙５ｍｓｅｃ．の矩形波パルスが印加されるようにして行った。活性化時の端子の接続はフォーミング時と同じである。活性化によって素子電流Ｉ_ｆ ，及び放出電流Ｉ_ｅ は著しく増大した。本実施例では、素子電流Ｉ_ｆ の値がほぼ一定値に達した時点で活性化を終了させた。活性化終了時の素子電流は、１ラインあたり平均で１５１ｍＡであり、ライン間のばらつきは、標準偏差／平均値＝１４％と小さかった。
【００７８】
この後、パネル全体を２００℃に加熱しながらイオンポンプ、ターボモレキュラーポンプ、及びスクロールポンプによって排気し、真空度が１．０×１０^−５Ｐａに達した時点で封止した。
【００７９】
この画像形成装置を駆動周波数６０Ｈｚで単純マトリクス駆動した。駆動は、走査信号、情報信号ともパルス幅０．１ｍｓｅｃ．、波高値７Ｖの矩形波を用いて行なう２値の駆動で、走査信号の印加されるラインの電子放出部には（−）電極に印加される−７Ｖの走査信号パルスの電圧と（＋）電極に印加される＋７Ｖの情報信号パルスの電圧差の１４Ｖが印加されるために電子が放出され、走査信号の印加されないラインの電子放出部にはグランドレベルと情報信号パルスの電位差の７Ｖが印加されるために電子が放出されないというものである。なお、アノード電位は１ｋＶとした。この様にして駆動を行った初期における素子特性は、１ラインあたりの平均で、素子電流１６２ｍＡ、放出電流２３８μＡであり、ライン間のばらつきは標準偏差／平均値の値が、素子電流については１３％、放出電流については１５％であった。
【００８０】
（比較例）
石英ガラス基板上に、実施例２と同じプロセスで８０×８０個の素子を単純マトリクス配線し、実施例２と同じプロセスで同じ構成の外囲器を作成した。
【００８１】
この８０×８０個の素子に対して、実施例２と同じ条件でフォーミング処理を施した後１．３×１０^−４Ｐａのベンゾニトリル雰囲気下において、実施例１、２と同じ±１５Ｖの矩形パルスを実施例２の場合と同様な方法で連続して印加し、活性化を行った。本比較例では、安定、且つ均一に活性化を行うために、ベンゾニトリルの導入開始から活性化開始まで６時間の間隔をあけた。同じ構成の別の画像形成装置に対して、ベンゾニトリルの導入から活性化の開始まで１時間程度の短い時間しか間隔をあけない場合には、活性化の進行が不安定であり、また素子間での特性のばらつきが大きかった。本発明者らの検討によると、活性化の進行の安定性、及びそれに関連する最終的な均一性は、ベンゾニトリル導入から活性化開始までの時間に依存し、飽和する傾向にはあるもののこの時間が長い方が良い。本比較例の条件である６時間でも充分ではなく、さらに間隔をあけることによってより特性は向上する。
【００８２】
本比較例で作成した画像形成装置の場合、活性化終了時の素子電流は、１ラインあたり平均で１６０ｍＡであり、ライン間のばらつきは、標準偏差／平均値＝２２％であった。
【００８３】
この後、実施例２と同じく、パネル全体を２００℃に加熱しながらイオンポンプ、ターボモレキュラーポンプ、及びスクロールポンプによって排気し、真空度が１．０×１０^−５Ｐａに達した時点で封止した。
【００８４】
この画像形成装置を実施例２と同じ、駆動周波数６０Ｈｚで単純マトリクス駆動した。アノード電位は１ｋＶとした。駆動初期における素子特性は、１ラインあたりの平均で、素子電流１６５ｍＡ、放出電流２２９μＡであり、ライン間のばらつきは標準偏差／平均値の値が、素子電流については２３％、放出電流については２５％であった。
【００８５】
（実施例３）
本実施例は、はしご状配置した電子源、及びそれを用いた画像形成装置に本発明の素子を用いた例である。実際の画像形成装置の構成は、例えば特開平７−２３５２５５号公報に記載されている構造と基本的に同じである。使用した基板は、実施例１で作成したのと同じ手順で作成したＳｉＯ_２ −カーボン複合体である。素子の数は、Ｘ方向、Ｙ方向とも８０個である。それぞれの素子電極、及び配線は、実施例１、２で用いたものと同じ５ｎｍのＴｉ及び３０ｎｍのＰｔで、電子放出部を形成するための導電性膜としては、実施例１、２と同じ３ｎｍの膜厚のＰｄＯを用いた。これらは全てフォトリソグラフィーの工程によって作られている。
【００８６】
８０×８０個の表面伝導型電子放出素子が形成されている基板を固定したリアプレート、支持枠、及び内面に蛍光膜とメタルバックが形成されたフェースプレートを、フリットガラス等を塗布した後に大気中、あるいは窒素中で４２０℃で１０分間以上焼成することで封着して外囲器を作成した。本実施例の場合も、封着は完全であり、リーク等はなかった。
【００８７】
外囲器を形成した後、基板上の８０×８０個の素子に対して、まずフォーミングを施した。本実施例では、フォーミングは、奇数列目の配線に接続した端子をグランドレベルに接続し、偶数列目の配線に接続した端子にパルス電圧を印加して１ラインずつ行ったが、フォーミングの方法はこれに限定されるものではない。フォーミングの際に素子を流れる電流の測定より、フォーミングはどのラインも均一に、且つほぼ完全に行われたことが確かめられた。
【００８８】
フォーミング工程を終えた後、活性化を行った。活性化は、実施例２の場合と同様に、前述の外囲器を真空排気ラインに接続し、外囲器内を１．０×１０^−５Ｐａ以下の真空状態にした後、各素子に対して同じ条件で、±１５Ｖ、パルス幅１ｍｓｅｃ．、パルス間隙５ｍｓｅｃ．の矩形波パルスが印加されるようにして行った。活性化時の端子の接続はフォーミング時と同じである。活性化によって素子電流Ｉ_ｆ ，及び放出電流Ｉ_ｅ は著しく増大した。本実施例では、素子電流Ｉ_ｆ の値がほぼ一定値に達した時点で活性化を終了させた。活性化終了時の素子電流は、１ラインあたり平均で１４４ｍＡであり、ライン間のばらつきは、標準偏差／平均値＝１４％と小さかった。
【００８９】
この後、パネル全体を２００℃に加熱しながらイオンポンプ、ターボモレキュラーポンプ、及びスクロールポンプによって排気し、真空度が１．０×１０^−５Ｐａに達した時点で封止した。
【００９０】
この画像形成装置を駆動周波数６０Ｈｚで駆動した。駆動は、各行とも、奇数列目の配線に接続した端子をグランドレベルに接続し、偶数列目の配線に対してパルス幅０．１ｍｓｅｃ．、波高値１４Ｖの矩形パルスを印加して行った。アノード電位は１ｋＶとした。この様にして駆動を行った初期における素子特性は、１ラインあたりの平均で、素子電流１５５ｍＡ、放出電流２２０μＡであり、ライン間のばらつきは標準偏差／平均値の値が、素子電流については１４％、放出電流については１６％であった。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、活性化工程に要する時間を大幅に短縮でき、かつ、多数の素子を同時に作成する場合において、全ての素子を、局所的な有機ガス圧分布の影響を受けない同一の条件で活性化できる。これにより、各素子の電子放出特性の均一性が高い電子源を作成することができ、さらには輝度のバラツキが小さい高品位な画像形成装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面伝導型電子放出素子の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の表面伝導型電子放出素子の製造方法の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の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処理における電圧波形の一例を示す模式図である。
【図４】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５】従来の表面伝導型電子放出素子の一例を模式図である。
【符号の説明】
１ 基板
２，３ 素子電極
４ 導電性膜
５ 電子放出部
６ 導電性膜
７ 電子放出部
４０ 素子電流Ｉ_ｆ を測定するための電流計
４１ 電子放出素子に素子電圧Ｖ_ｆ を印加するための電源
４２ 電子放出部より放出される放出電流Ｉ_ｅ を測定するための電流計
４３ アノード電極に電圧を印加するための高圧電源
４４ 電子放出部より放出される電子を捕捉するためのアノード電極
４５ 真空容器
４６ 排気ポンプ

Claims (9)

1. 基板上に形成された一対の電極間に、電子放出部を含む導電性膜を有する電子放出素子において、該基板の少なくとも該導電性膜が位置する部分が、ＳｉＯ₂と炭素の複合体であることを特徴とする電子放出素子。
2. 前記基板が、多孔質ガラスに有機物を吸着させた後に該有機物を細孔内で炭素化して得られたもの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。
3. 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または２に記載の電子放出素子。
4. 入力信号に応じて電子を放出する電子源であって、請求項１〜３のいずれかに記載の電子放出素子を同一基板上に複数配置したことを特徴とする電子源。
5. 前記複数の電子放出素子が、マトリクス状に配線されていることを特徴とする請求項４に記載の電子源。
6. 前記複数の電子放出素子が、梯子状に配線されていることを特徴とする請求項４に記載の電子源。
7. 入力信号に基づいて画像を形成する装置であって、少なくとも、請求項４〜６のいずれかに記載の電子源と、該電子源から放出される電子線の照射により画像を形成する画像形成部材とを有することを特徴とする画像形成装置。
8. 基板上に位置する一対の電極間に、電子放出部を含む導電性膜を有する電子放出素子の製造方法であって、
   少なくとも導電性膜が位置する部分がＳｉＯ ₂ と炭素の複合体である基板の、該ＳｉＯ ₂ と炭素の複合体部分上に導電性膜が位置するように、前記一対の電極及び前記導電性膜を配置する工程と、
   前記導電性膜に電子放出部を形成する工程と、
   前記一対の電極間に電圧を印加することにより、前記電子放出部及びその周囲に炭素または炭素化合物を堆積させ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。
9. 前記ＳｉＯ ₂ と炭素の複合体が、多孔質ガラスを有機物の溶液中に含浸させ、不活性または還元性の雰囲気中において焼成させることで形成したものであることを特徴とする請求項８に記載の電子放出素子の製造方法。

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