JP3667137B2 - 電子放出素子、電子放出素子を用いた電子源、及び電子源を用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子放出素子、この電子放出素子を用いた電子源、及びこの電子源を用いた画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子放出素子を用いた電子源として熱電子源及び冷陰極電子源の２種類が知られている。冷陰極電子源を構成する電子放出素子には、電界放出型（ＦＥ型）、金属・絶縁層・金属型（ＭＩＭ型）及び表面伝導型などの電子放出素子がある。
【０００３】
ＦＥ型電子放出素子の例としては、Ｗ．Ｐ．Ｄｙｋｅ＆Ｗ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ，“Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ”，Ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｈｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）あるいはＣ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，“Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃａｔｈｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ＭｏｌｙｂｄｅｎｉｕｍＣｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４７，５２４８（１９７６）等が知られている。
【０００４】
ＭＩＭ型電子放出素子の例としては、Ｃ．Ａ．Ｍｅａｄ、“Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ−Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌｙ．Ｐｈｙｓ．３２，６４６（１９６１）等が知られている。
【０００５】
また、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）等がある。
【０００６】
表面伝導型電子放出素子は基板上に形成された小面積の薄膜に、膜面に並行に電流を流すことにより、電子放出が生ずる現象を利用するものである。この表面伝導型電子放出素子としては、上記エリンソン等によるＳｎＯ2 薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によるもの〔Ｇ．Ｄｉｔｍｍｅｒ，Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ，９，３１７（１９７２）〕、ｌｎ2 Ｏ3 −ＳｎＯ2 薄膜によるもの〔Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌ ａｎｄ Ｃ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔｅｄ，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】
本出願人は、表面伝導型電子放出素子とその応用に関し、多数の提案を行っている。その構成及び製造方法は、例えば特開平７−２３５２５５号公報及び特開平８−１７１８４９号公報などに開示されている。
【０００８】
これら公報記載の要点を簡単に説明する。表面伝導型電子放出素子は、図１８（Ａ），（Ｂ）に模式的に示すように、基板１上に対向する一対の素子電極２，３と、これらの素子電極に接続されその一部に電子放出部５を有する導電性薄膜４とを備える。図１８（Ａ）は平面図、図１８（Ｂ）は断面図である。電子放出部５は、上記導電性薄膜の一部が破壊・変形ないし変質され、間隙が形成された部分であり、間隙内部及びその近傍の導電性薄膜４上には、活性化と呼ばれる工程により、炭素及び／または炭素化合物を主成分とする堆積物が形成されている。これにより放出される電子の量が大幅に増大する。
【０００９】
上記導電性薄膜４は、後述する通電による処理（フォーミング工程）で間隙部を好ましい状態に形成するために、導電性微粒子により構成される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
電子放出素子については、これを適用した画像形成装置が、表示画像を構成する画素間の輝度のばらつきが少ない均一な画像を安定して提供できるよう、電子放出特性の均一性と安定性の向上が要望されている。
【００１１】
従来の電子放出素子においては、フォーミング及び活性化処理によって形成された電子放出部は、電子放出点の密度が小さくなることがあり、その場合、電子放出部全体にわたって均一に電子放出しないという問題があった。
【００１２】
このような素子を基板上に複数配置して、例えば平面型画像形成装置などに利用する電子源を形成すると、素子間においても電子放出部の形態が不均一であり、その電子放出特性に至っても均一な電子放出を行うことが困難である。
【００１３】
したがって、このような電子源を用いて均一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。
【００１４】
本発明の課題は、均一で安定な電子放出特性を有する電子放出素子を提供することにある。
【００１５】
また、本発明の別の課題は、均一で動作安定性に優れ、より高品位な画像を形成し得る電子源及び画像形成装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の電子放出素子は、
絶縁性基体の主表面上に配置された一対の電極と、
該一対の電極間に配置されると共に、第一の間隙を挟んで対向する炭素を主成分とする第一の膜及び炭素を主成分とする第二の膜と、
前記一対の電極の一方と前記炭素を主成分とする第一の膜とを接続する第一の導電性膜と、
前記一対の電極の他方と前記炭素を主成分とする第二の膜とを接続する第二の導電性膜とを備えており、
前記第一の導電性膜と第二の導電性膜が第二の間隙を挟んで対向しており、該第二の間隙内に前記第一の間隙が配置されている電子放出素子であって、
前記炭素を主成分とする第一及び第二の膜の各々は、前記第一の間隙に沿って、前記炭素を主成分とする第一の膜と第二の膜とが対向する方向における凹凸部を備えると共に、前記基体の主表面に垂直な方向における凹凸部を備えている構成である。
【００１８】
この構成において、前記第一及び第二の膜は炭素を主成分とする堆積物であり、気化トルニトリルを含む雰囲気中で行う活性化処理時によって形成される。
【００２０】
本発明の電子源及び画像形成装置及びテレビジョン放送の表示装置は、上記電子放出素子を適用して構成される。
【００２１】
【作用】
上記構成の本発明の電子放出素子においては、微小間隙部の導電性膜部材に形成された炭素含有膜部材が微小間隙の延在方向に凹凸部を有するので、電子放出点密度が高くなる。
【００２２】
この電子放出点密度が低いと、電子放出部の電子放出は独立して揺らぐので、ある時間でみると、電子放出していない領域が多く出現する可能性が大きくなり、全体としての電子放出は揺らぎが大きく不均一になる。これに対して、電子放出点密度が高いと、隣接放出点間の電子放出に相関が生じ、ある電子放出点の電流密度が大きくなると、隣接した電子放出点の電流密度が小さくなる、或いはある電子放出点の電流密度が小さくなると、隣接した電子放出点の電流密度が大きくなる。その結果、全体としての電子放出は均一化する。
【００２３】
前記凹凸部は、更に周期構造を有する場合、全電子放出部にわたって凹凸構造が均一に存在することになる。
【００２４】
また、電子放出素子を基板上に複数配置して構成した電子源においては、画素対応の素子間での電子放出の不均一性が減少する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２６】
図１（A）、（B）は本発明の電子放出素子を模式的に示した平面図及び断面図である。ガラス材料から形成された絶縁性基板１上に一対の素子電極２，３が対向して配置されており、後述するフォーミング処理等により導電性薄膜４の一部に形成された間隙６を置いて、導電性薄膜４が基板１表面に対して横方向に対向している。そして、導電性薄膜４が素子電極２，３の表面を覆うことで、一対の電極２，３と導電性薄膜４とが電気的に接続される。
【００２７】
なお、ＦＩＢ等の手法を用い、電極間隔をフォーミングにより形成する上記間隙６程度の幅に形成する場合は、導電性薄膜４と電極２、３とを別々に形成しなくともよい。
【００２８】
さらに、後述する活性化処理工程により、間隙６内の基板１上及びその近傍の導電性薄膜４上に、堆積物である炭素を有する膜１０が配される。また、上記したように、導電性薄膜４を用いない場合には、電極２、３と炭素を有する膜１０とが直接接続される。なお、本発明に於いては、堆積物と炭素を有する膜とは同一のものを指す。また、炭素を有する膜１０は、間隙６内に配された間隙７を置いて、基板１表面に対して横方向に対向して配される。なお、図１に示した構成だけでなく、基板１上に導電性薄膜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。
【００２９】
次に、素子電極及び導電性薄膜を形成する工程及びフォーミング処理工程を、図２（Ａ）〜（Ｃ）を用いて説明する。
【００３０】
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、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２（Ａ））。
【００３１】
素子電極２，３を設けた基板１に、有機金属化合物の溶液を塗布して、有機金属化合物薄膜を形成する。有機金属化合物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））。
【００３２】
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の形成方法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。また、上記の有機金属化合物の溶液をインクジェット装置により所望の位置に液滴として付与する方法を用いることもでき、この場合はリフトオフやエッチングによるパターニング工程は不要となる。
【００３３】
続いて、フォーミング処理を施す。このフォーミング処理の方法として、導電性薄膜４の還元を促すガスを含む雰囲気中での通電処理による方法を説明する。導電性薄膜４が金属酸化物よりなる場合は、このガスとし水素が使用可能である。導電性薄膜４を形成した上記電子放出素子を、真空装置内に設置し、内部を例えば１×１０−５＜−５乗＞Ｔｏｒｒ程度の圧力以下となるように排気し、N2:98%− H2:2%の混合ガスを１×１０−３＜−３乗＞Ｔｏｒｒ程度、真空装置内に導入し、素子電極２，３間に、不図示の電源を用いて通電を行うと、導電性薄膜４に間隙６が形成される（図２（Ｃ））。
【００３４】
このとき、水素ガスによる還元により、導電性薄膜４を構成する物質が金属酸化物から金属に変化し、その際、凝集を伴って間隙の形成が促進される。更に、好ましくは、基板温度を室温以上の温度：５０〜１００℃程度に設定する。
【００３５】
通電する電圧波形は、パルス波形が好ましく、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４に示した手法があげられる。図４におけるＴ１及びＴ２は電圧波形のパルス幅とパルス間隔とである。通常、Ｔ１は１μｓｅｃ．〜１０ｍｓｅｃ．、Ｔ２は１０μｓｅｃ．〜数１００ｍｓｅｃ．の範囲で設定される。矩形波の波高値は、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。
【００３６】
通電フォーミング処理の終了は、上記のフォーミング用のパルス電圧の間に、導電性薄膜４を局所的に破壊、変形しない程度のパルス電圧を挿入し、その時の電流を測定して抵抗値を検知することにより決定することができる。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。
【００３７】
なお、フォーミング処理の方法としては、上記以外でも、間隙６が適切に形成される方法であれば採用することができる。
【００３８】
上記のように形成された間隙６は、巨視的には対向する素子電極端におよそ平行に、直線状に形成されているが、微視的には、導電性薄膜４の対向端部に波状或いは鋸刃状のうねり構造形態で、基板表面に平行に形成される。
【００３９】
次いで活性化処理を行う。活性化処理工程は、有機物質のガスを含有する雰囲気下で、上記一対の素子電極間にパルス電圧を繰り返し印加して、間隙６内の基板１上及びその周囲に炭素を有する膜１０を堆積させる工程である。この工程により素子に流れる電流である素子電流Ｉｆは著しく変化し、また、電子放出電流Ｉｅも増大する。活性化処理の終了判定は、素子電流Ｉｆ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。
【００４０】
この活性化処理において用いられる有機物質のガスを含有する雰囲気としては、蒸気圧があまり高くなく、かつ重合しやすい有機物質のガスを含有する雰囲気が好ましい。この条件を満たすものとしては具体的には、気化したトルニトリルを含有する雰囲気が挙げられるが、間隙６内及びその周囲の堆積物である炭素を有する膜１０の形成に不都合がなければ、特に制限されるものではない。またこの雰囲気は、例えば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などによって得られる。さらに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。
【００４１】
また、ここで堆積物である炭素を有する膜１０を構成する炭素とは、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、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である）、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上記グラファイトの微結晶との混合物）であり、その膜厚は、５〜１００ｎｍの範囲とするのが好ましい。
【００４２】
図５に、電子放出部に沿った方向での断面の模式図を示す。図５（Ａ）は、電子放出素子を上部から見た図である。上記のようにして形成された導電性薄膜４の炭素を有する膜１０は、間隙７に沿って対向方向及び高さ方向に凹凸１５を有する。図５（Ａ）中の点線Ｂ−Ｂ' に沿った断面の模式図を図５（Ｂ）に示す。また、図５（Ｃ）は図５（Ｂ）の拡大図である。
【００４３】
この凹凸構造は、フォーミング条件及び活性化条件によっても異なるが、１０ｎｍ〜１μｍの周期で特徴づけられる周期構造を有する。この凹凸１５はフォーミング及び活性化条件によっても異なるが、基板１に垂直な方向に１００ｎｍ以下の高さを有する。また、この凹凸１５の持つ周期性は、フォーミング直後に観察される、微視的な波状構造のスケールとおよそ対応している。
【００４４】
以上のような工程を経て得られた電子放出素子は、安定化処理を行うことが好ましい。この処理は、電子放出素子に吸着している余分な有機物質分子などを除去する工程である。上記電子放出素子を真空容器内に設置し、容器内を排気する。これに用いる真空排気装置は、装置から発生するオイルが真空容器内に拡散しないよう、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とイオンポンプとを組み合わせた真空排気装置等である。
【００４５】
真空容器内の有機成分の分圧は、炭素及び炭素化合物が素子上にほぼ新たに堆積しない分圧で１×１０−８＜−８乗＞Ｔｏｒｒ以下が好ましく、さらには１×１０−１０＜−１０乗＞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余分な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、１×１０−７＜−７乗＞Ｔｏｒｒ以下が好ましく、さらに１×１０−８＜−８乗＞Ｔｏｒｒ以下が特に好ましい。
【００４６】
安定化処理を行った後の、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、また真空容器や基板などに吸着したＨ2 Ｏ，Ｏ2 なども除去でき、結果として素子電流Ｉｆ，放出電流Ｉｅが安定する。
【００４７】
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３、図７を参照しながら説明する。
【００４８】
図３は、真空処理装置の一例を示す構成図である。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３において、真空容器３５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（基板）であり、２及び３は素子電極、４は導電性薄膜、５は間隙６，７及びその近傍の領域である電子放出部である。３１は電子放出素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電源、３０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、３４は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。３３はアノード電極３４に電圧を印加するための高圧電源、３２は素子の電子放出による放出電流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。
【００４９】
真空容器３５内に、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、所望の真空雰囲気での測定評価を行えるようになっている。電源３１が十分な電力を供給できるものであれば、この装置により上記フォーミング処理工程に用いることができるのは言うまでもない。また、真空処理装置の全体を、ヒーターにより加熱できるようにすれば、上記の安定化処理工程に使用することもできる。
【００５０】
図７は、図３に示した真空処理装置を用いて測定された放出電流Ｉｅと素子電流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。なお、縦・横軸ともリニアスケールである。
【００５１】
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性質を有する。即ち、
（１）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。
【００５２】
（２）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。
【００５３】
（３）アノード電極３４に捕捉される放出電子の量は、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３４に捕捉される電子の量は、素子電圧Ｖｆを印加する時間により制御できる。
【００５４】
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。
【００５５】
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（ＭＩ特性）例を示した。上述した製造工程によっては、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（ＶＣＮＲ特性）を示す場合もあるが、上記安定化処理を行うことによりＭＩ特性に変化する。
【００５６】
上記の特性を利用して、上記電子放出素子を基体上に複数配置した電子源を作成することが可能である。また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）、この配線と直交する方向（列方向）で、電子放出素子の上方に配した制御電極（グリッド）により、電子放出素子からの電子を制御駆動するはしご型配置のものがある。
【００５７】
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。
【００５８】
まず単純マトリクス配置について説明する。表面伝導型電子放出素子については、前述したとおり（１）ないし（３）の特徴がある。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幅で制御できる。一方、しきい値電圧以下では、殆ど放出されない。この特性によれば、多数の電子放出素子を配置した場合においても、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。
【００５９】
以下この原理に基ずき、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。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、巾は、適宜設計される。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。
【００６０】
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と形成した基板１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と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とは、それぞれ外部端子として引き出される。
【００６１】
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とによって電気的に接続されている。
【００６２】
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。
【００６３】
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との差電圧として供給される。
【００６４】
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。
【００６５】
次に、はしご型配置の電子源について図１１を用いて説明する。図１１は、はしご型配置の電子源の一例を示す摸式図である。図１１においては、１１０は電子源基板、１１１は表面伝導型電子放出素子である。１１２、Ｄｘ１〜Ｄｘ１０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。
【００６６】
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。
【００６７】
上記のいずれの構成の電子源についても、本発明の電子放出素子が適用できる。
【００６８】
上述した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６と図９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構成図であり、図６は図９の画像形成装置に使用される蛍光膜の構成図である。
【００６９】
図９において、１１０は表面伝導型電子放出素子を複数配した電子源の基板、９１は基板１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、この支持枠９２には、リアプレート９１、フェースプレート９６が低融点のフリットガラスなどを用いて、接合される。８４は電子放出素子である。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。
【００７０】
外囲器（真空容器）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１１０の強度を補強する目的で設けられるため、基板１１０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１１０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１１０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９８を構成することもできる。
【００７１】
図６は蛍光膜９４を示す摸式的な構成図である。蛍光膜９４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部材６１と蛍光体６２とから構成することができる。
【００７２】
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６２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。
【００７３】
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９５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る。
【００７４】
メタルバック、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。フェースプレート９６には、更に蛍光膜９４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。
【００７５】
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、十分な位置合わせを行う。
【００７６】
図９に示した画像形成装置の製造方法の一例を以下に説明する。電子源の活性化までは、すでに述べた方法により行う。この後、安定化処理を行ってから、電子源、画像形成部材、真空容器形成部材等をフリットガラスなどを用いて接合し、組立工程を行い、内部を排気して、排気管をバーナーなどを用いて加熱し封じきる。この後、必要に応じてゲッタ処理を行っても良い。或いは、組立工程を行った後、安定化処理を行っても良い。
【００７７】
図１０はこの安定化工程に用いる装置の概要を示す構成図である。外囲器９８は、排気管１０２を介して真空チャンバー１０３に連結され、さらにゲートバルブ１０４を介して排気装置１０５に接続されている。真空チャンバー１０３には、内部の圧力及び雰囲気中の各成分の分圧を測定するために、圧力計１０６、四重極質量分析器１０７等が取り付けられている。外囲器９８内部の圧力などを直接測定することは困難であるため、真空チャンバー１０３内の圧力などを測定する。
【００７８】
外囲器９８を加熱して、８０〜２５０℃の適当な温度に保持しながら、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１０５によりの排気管１０２を通じて排気し、有機物質の十分少ない雰囲気にし、圧力計１０６及び四重極質量分析器１０７によりこれを確認した後、排気管をバーナーで熱して溶解させて封じきる（封止）。外囲器９８の封止後の圧力を維持するために、ゲッター処理を行なうこともできる。
【００７９】
これは、外囲器９８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、蒸着膜の吸着作用により、外囲器８８内の雰囲気を維持するものである。
【００８０】
なお、はしご型の配線を有する電子源を用いた画像形成装置の製造方法も、上記と同様である。
【００８１】
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摸式図である。１２０はグリッド電極、１２１は電子が通過するため空孔、１２２はＤｏｘ１，Ｄｏｘ２，…Ｄｏｘｍよりなる容器外端子である。１２３は、グリッド電極１２０と接続されたＧ１，Ｇ２，…Ｇｎからなるグリッド用容器外端子である。
【００８２】
グリッド電極１２０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。
【００８３】
容器外端子１２２及びグリッド容器外端子１２３は、不図示の制御回路と電気的に接続されている。
【００８４】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明をさらに詳述する。
【００８５】
〔実施例１〕
本発明により形成された電子放出素子は、図１（Ａ），（Ｂ）に模式的に示される構成を有する。本実施例で作製した電子放出素子の製造工程を図２を用いて説明する。
【００８６】
工程−ａ：
基板１として石英を用い、これを洗剤、純水及び有機溶剤により洗浄した後、フォトレジストＲＤ−２０００Ｎ（日立化成（株）製）をスピンナーにより塗布（２５００ｒｐｍ、４０秒）し、８０℃，２５分間のプリベークを行った。
【００８７】
次いで、素子電極のパターンに対応するマスクを用いて、密着露光し、現像液を用いて現像、１２０℃，２０分間のポストベークを行って、レジストマスクを形成した。
【００８８】
次いでＮｉを真空蒸着法より成膜した。成膜レートは０．３ｍｍ／ｓｅｃ．で膜圧を１０ｎｍとした。
【００８９】
次いで、上記基板をアセトンに浸してレジストマスクを溶解し、リフトオフによりＮｉの素子電極２，３を形成した。電極間隙Ｈは２μｍ、電極長Ｗは５００μｍである（図２（Ａ））。
【００９０】
工程−ｂ：
電極が形成された基板を、アセトン、イソプロパノール、酢酸ブチルで洗浄し乾燥した後、真空蒸着法によりＣｒを５０ｎｍ成膜する。次いでフォトレジストＡＺ１３７０（ヘキスト社製）をスピンナーにより塗布（２５００ｒｐｍ、３０秒）し、９０℃、３０分間のプリベークを行った。
【００９１】
次いで、マスクを用いた露光と現像により、導電性薄膜の形状に対応する開口を形成、１２０℃，３０分間のポストベークを行ってレジストマスクを形成した。
【００９２】
次いで、エッチャント（（ＮＨ4 ）Ｃｅ（ＮＯ3 ）6 ／ＨＣ１／Ｈ2 Ｏ＝１７ｇ／５ｃｃ／１００ｃｃ）に３０秒間浸漬し、マスク開口部のＣｒエッチングし、次いでアセトンによりレジストを剥離しＣｒマスクを形成した。
【００９３】
次いで、有機Ｐｄ化合物の溶液（ｃｃｐ−４２３０：奥野製薬（株）製）をスピンナーで塗布（８００ｒｐｍ、３０秒）し、３００℃，１０分間の焼成を行い、ＰｄＯ微粒子より成る導電性薄膜を形成した。
【００９４】
次いで、上記エッチャントに再度浸漬して、Ｃｒマスクを除去し、リフトオフにより、所望のパターンの導電性薄膜４を形成した（図２（Ｂ））。
【００９５】
工程−ｃ：
次いで、上記の素子を図３に模式的に示した装置に設置し、不図示の排気装置により真空チャンバー（真空容器）３５内を排気し、圧力を１×１０−５＜−５乗＞Ｔｏｒｒ以下とした。
【００９６】
次に、N2:98%-H2:2%の混合ガスを真空チャンバー３５内に導入した。真空チャンバー３５の圧力は１．３×１０−３＜−３乗＞Ｐａとした。
【００９７】
次に、素子電極２，３の間に図４（Ｂ）に示すような、波高値が１０Ｖ一定の矩形波パルスを印加した。パルス幅Ｔ１は０．１ｍｓｅｃ．、パルス間隔Ｔ２は１６．６ｍｓｅｃ．とした。この条件で、約２０分間電圧を印加し続けたところ、フォーミングが完了した（図２（Ｃ））。
【００９８】
上記パルスとパルスの間に、波高値０．１Ｖの矩形波パルスを挿入し、素子の抵抗値を測定し、これが１ＭΩを超えたところでパルス電圧の印加を止め、真空チャンバー３５を排気した。
【００９９】
工程−ｄ：
次いで、排気装置により真空チャンバー３５内を更に排気し、圧力が１×１０−７＜−７乗＞Ｔｏｒｒ以下となってから、トルニトリルを導入し、圧力を１×１０−６＜−６乗＞Ｔｏｒｒとした。素子電極間に図１３に示すような波高値一定で極性を反転させる矩形波パルスを繰り返し印加した。波高値は１５Ｖ、パルス幅Ｔ３は１ｍｓｅｃ、パルス間隔Ｔ４は１０ｍｓｅｃとした。
【０１００】
工程−ｅ：
次いで、排気装置により真空チャンバー３５内を排気しながら、素子を１５０℃に加熱し保持したところ、１×１０−８＜−８乗＞Ｔｏｒｒの圧力に到達した。 素子を室温に戻した後、アノード電極３４に８ｋＶの電圧を印加し、素子電極間に波高値一定の矩形波パルスの電圧を印加して特性の測定を行った。なお、アノード電極と素子との間隔は４ｍｍにセットした。
【０１０１】
素子を一定時間駆動したところ、素子電流Ｉｆ及び放出電流Ｉｅの揺らぎは非常に小さかった。また、電流Ｉｆ及びＩｅはほとんど減少せず、電子放出特性が非常に安定な素子が得られた。
【０１０２】
上記特性を測定した素子を、真空チャンバー３５から取り出して、走査型原子間力顕微鏡を用いて電子放出部５の形態観察を行った。その結果、電子放出部５を構成する間隙７の炭素を有する膜１０が、間隙７の延在方向で、基板１面に垂直な高さ方向に０〜６０ｎｍの高さの分布を持つ凹凸１５を有していた。更に、この凹凸構造は、間隙７の延在方向に、５０ｎｍ付近を中心にした周期の、振幅がおよそ６０ｎｍの周期構造を有していた（図５参照）。
【０１０３】
また、同様に、特性を測定しなかった素子の形態観察を行った結果、特性を測定した素子と形態に差はなかった。
【０１０４】
〔実施例２〕
本実施例は、図１４に模式的に示したマトリクス配線の電子源と、これを用いた画像形成装置（図９）の製造方法である。図１４は本実施例により形成されたマトリクス配線の電子源の構成を模式的に示す部分平面図で、図１４中の折れ線Ａ−Ａ’に沿った断面の構造を図１５に示す。
【０１０５】
以下、図１６及び図１７を参照して、電子源の製造工程を説明し、さらに画像形成装置の製造工程も説明する。
【０１０６】
工程−Ａ：
洗浄した青板ガラス上にシリコン酸化膜をスパッタリング法により０．５μｍ形成し、これを基板として、この上にＣｒ５ｎｍ、Ａｕ６００ｎｍを真空蒸着法により順次成膜した後、フォトレジストＡＺ１３７０（ヘキスト社製）を用い、フォトリソグラフィー技術により下配線８２を形成した（図１６（Ａ））。
【０１０７】
工程−Ｂ：
次いで、厚さ１μｍのシリコン酸化膜より成る層間絶縁層１４１をスパッタリング法により堆積する（図１６（Ｂ））。
【０１０８】
工程−Ｃ：
層間絶縁層にコンタクトホール１４２を形成するためのフォトレジストパターンを作成、これをマスクとしてＣＦ4 とＨ2 を用いたＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎ Ｅｃｈｉｎｇ）法により、層間絶縁層１４１をエッチングした（図１６（Ｃ））。
【０１０９】
工程−Ｄ：
素子電極のパターンに対応する開口を有するフォトレジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１：日立化成社製）のマスクパターンを形成し、真空蒸着法比より５ｎｍのＴｉ、１００ｎｍのＮｉを順次堆積、次いで有効溶剤によりフォトレジストを除去してリフトオフにより素子電極５，６を形成した。素子電極の間隔Ｌは３μｍとした（図１６（Ｄ））。
【０１１０】
工程−Ｅ：
工程−Ａと同様のフォトレジストを用いたフォトソリグラフィー法により、５ｎｍのＴｉ、５００ｎｍのＡｕの積層構造を有する上配線８３を形成した（図１７（Ｅ））。
【０１１１】
工程−Ｆ：
実施例１の工程−ｂと同様のＣｒマスクを用いたリフトオフにより、ＰｄＯ微粒子より成る導電性薄膜４を形成した（図１７（Ｆ））。
【０１１２】
工程−Ｇ：
コンタクトホール１４２以外を覆うレジストパターンを形成し、真空蒸着により、５ｎｍのＴｉ、５００ｎｍのＡｕを順次堆積し、レジストパターンを除去して不要な積層膜を除去してコンタクトホールの埋め込みを行い、フォーミング前の電子源基板を作成した（図１７（Ｇ））。
【０１１３】
上記電子源基板を用い、図９に示す構成の画像形成装置を作成した。
【０１１４】
電子源の基板１１０をリアプレート９１に固定し、基板の５ｍｍ上方にフェースプレートを支持枠９２を介して配置し、接合部にフリットガラスを塗布し窒素雰囲気中で４００℃に１０分間保持して接合し、外囲器を形成した。フェースプレートの内面には蛍光膜９４及びメタルバック９５が形成されている。蛍光膜９４はストライプ形状（図６（Ａ））のものを採用し、印刷法により形成した。黒色導電材はグラファイトを主成分とする材質を用いた。メタルバックは、蛍光膜の内面を平滑処理（フィルミング）した後、Ａｌを真空蒸着することにより形成した。
【０１１５】
上記の組立を行う際、蛍光体と電子放出素子との対応を正確に行う必要があり、十分に位置合わせを行った。なお、外囲器内にはゲッタ装置（不図示）も取り付けられる。
【０１１６】
工程−Ｈ：
上記外囲器内を不図示の排気装置で排気し、実施例１の工程−ｃと同様に矩形波パルスを印加しフォーミング処理を行い、各導電性薄膜４に間隙６を形成した。
【０１１７】
工程−Ｉ：
続いて、実施例１の工程−ｄと同様にして、外囲器内にトリニトリルを導入して活性化処理を行った。
【０１１８】
工程−Ｊ：
実施例１の工程−ｅと同様に外囲器内を排気しながら加熱し、安定化処理を行った結果、約３時間で内部の圧力が１×１０−８＜−８乗＞Ｔｏｒｒに到達した。
【０１１９】
以上の工程によって作成された上記外囲器に不図示の駆動回路を取り付け、メタルバックに１０ｋVの高電圧を印加し、画像形成装置の電子源を構成するための個々の電子放出素子の特性を測定し、それぞれの素子の特性を比較したところ、素子電流Ｉｆ及び放出電流Ｉｅのばらつきは少なく良好であった。また、ＴＶ信号を入力して画像を表示させたところ、高輝度で高精細な画像が長時間に亘って安定に得られた。
【０１２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電子放出素子は、導電性膜部材に形成された炭素含有膜部材が間隙の延在方向に凹凸部を有するので、電子放出点密度が高くなり、電子放出部全体としての電子放出の不均一性が減少し、安定した電子放出を行うことができる。
【０１２１】
また、本発明の電子放出素子を大面積に数多く配列形成した電子源及びこの電子源を用いた画像形成装置においても、画素対応の素子間の不均一性が小さく、したがって、輝度のばらつきなどが少なく、高精細で大面積の画像表示を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態の電子放出素子の構成を示す模式的平面図及び断面図。
【図２】 一実施の形態の電子放出素子の製造工程の一部を示す。
【図３】 測定評価機能を備えた真空処理装置の一例を示す構成図。
【図４】 一実施の形態の電子放出素子の製造工程の一部であるフォーミング処理工程に用いることのできる電圧波形の一例を示す。
【図５】 一実施の形態の電子放出素子の炭素を有する膜の微小間隔部分を説明するための模式図。
【図６】 蛍光膜の一例を示す構成図。
【図７】 一実施の形態の電子放出素子の放出電流Ｉｅと素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆとの関係を示す。
【図８】 一実施の形態の電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源に適用した一例を示す構成図。
【図９】 一実施の形態の電子放出素子を画像形成装置に適用した一例を示す構成図。
【図１０】 一実施の形態の電子放出素子を画像形成装置に適用した際の画像形成装置の製造工程において使用される真空処理装置の一例を示す構成図。
【図１１】 一実施の形態の電子放出素子を梯子配置した電子源に適用した一例を示す構成図。
【図１２】 一実施の形態の電子放出素子を画像形成装置に適用した他の一例を示す構成図。
【図１３】 一実施の形態の電子放出素子の製造工程の一部である活性化処理工程に用いることのできる電圧波形の一例を示す。
【図１４】 一実施の形態の電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源に適用した一例を示す構成図。
【図１５】 図１４中の折れ線Ａ−Ａ’に沿った部分断面図。
【図１６】 実施例に係わる電子源の製造工程の一部を説明するための図。
【図１７】 実施例に係わる電子源の製造工程の一部を説明するための図。
【図１８】 従来の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。
【符号の説明】
１ 基板
２、３ 電極
４ 導電性薄膜
５ 電子放出部
６ 導電性薄膜の一部に形成された間隙
７ 炭素を有する膜（堆積物）１０間の間隙
１０ 炭素を有する膜（堆積物）
３０ 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
３１ 電子放出素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電源
３２ 電子放出素子から放出された放出電流Ｉｅを測定するための電流計
３３ アノード電極３４に電圧を印加するための高圧電源
３４ 電子放出素子から放出される電子を加速及び捕捉するためのアノード電極
３５ 真空容器（真空チャンバー）
６１ 黒色部材
６２ 蛍光体
８１ 電子源基板
８２ Ｘ方向配線
８３ Ｙ方向配線
８４ 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
９８ 外囲器
１０２ 排気管
１０３ 真空チャンバー
１０４ ゲートバルブ
１０５ 排気装置
１０６ 圧力計
１０７ 四重極質量分析器（Ｑ−ｍａｓｓ）
１１０ 電子源基板
１１１ 電子放出素子
１１２ 共通配線
１２０ グリッド電極
１２１ 電子が通過するためにグリッド電極に設けられた空孔
１２２ 容器外端子
１２３ グリッド用容器外端子
１４１ 層間絶縁層
１４２ コンタクトホール

Claims (5)

1. 絶縁性基体の主表面上に配置された一対の電極と、
   該一対の電極間に配置されると共に、第一の間隙を挟んで対向する炭素を主成分とする第一の膜及び炭素を主成分とする第二の膜と、
   前記一対の電極の一方と前記炭素を主成分とする第一の膜とを接続する第一の導電性膜と、
   前記一対の電極の他方と前記炭素を主成分とする第二の膜とを接続する第二の導電性膜とを備えており、
   前記第一の導電性膜と第二の導電性膜が第二の間隙を挟んで対向しており、該第二の間隙内に前記第一の間隙が配置されている電子放出素子であって、
   前記炭素を主成分とする第一及び第二の膜の各々は、前記第一の間隙に沿って、前記炭素を主成分とする第一の膜と第二の膜とが対向する方向における凹凸部を備えると共に、前記基体の主表面に垂直な方向における凹凸部を備えていることを特徴とする電子放出素子。
2. 前記第一及び第二の膜は炭素を主成分とする堆積物であり、気化トルニトリルを含む雰囲気中で行う活性化処理によって形成されることを特徴とする請求項１に電子放出素子。
3. 基体上に複数の電子放出素子を配列形成した電子源において、
   前記電子放出素子の各々が請求項１または２に記載の電子放出素子であることを特徴とする電子源。
4. 電子源と、該電子源から放出された電子を照射することで画像を形成する画像形成部材とを有する画像形成装置において、
   前記電子源が請求項３に記載の電子源であることを特徴とする画像形成装置。
5. 画像形成装置と、該画像形成装置にテレビジョン放送信号を表示させるための回路と、を備えたテレビジョン放送の表示装置であって、
   前記画像形成装置が請求項４に記載の画像形成装置であることを特徴とするテレビジョン放送の表示装置。

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