JP3683932B2

JP3683932B2 - 陰極及びその製造方法

Info

Publication number: JP3683932B2
Application number: JP5180395A
Authority: JP
Inventors: 親夫木村; 恭一佐藤
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1995-02-16
Filing date: 1995-02-16
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2020-08-17
Also published as: JPH08222120A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、冷陰極放電管などに利用される陰極及びその製造方法に関するものであり、特に、高性能化と長寿命化とを図った陰極に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
キセノンランプなどの冷陰極放電管は、照明用としてだけでなく、各種の光学装置のための光源、例えば、半導体製造プロセスにおいて重要なフォトリソグラフィー装置の光源などとしても利用されたり、更には、プラズマディスプレイ装置などにも利用されている。
【０００３】
この種の冷陰極放電管では、放電によって発生する熱を電極からの熱電子放出のための加熱源としてそのまま利用することにより、外部からの陰極加熱機構を省略し、放電管としての小型化を図っている。この陰極の加熱は、大きな質量の正イオンが高速で陰極の表面に衝突する際に放出される運動エネルギーを熱エネルギーに変換することによって行われる。このため、陰極の素材としては、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）など稠密で機械的な強度が大きな金属が選択される。ＷやＭｏなどの稠密な金属は、融点も高く、仕事関数φも3.5 eV程度のかなり大きな値を持つという共通点がある。
【０００４】
陰極の素材となる金属の仕事関数が高くなるほど、熱電子放射のための加熱温度としては高い値が必要になる。例えば、Ｗ陰極の場合、1600^oC 程度の加熱が必要になる。しかしながら、高い動作温度は、電極の素材だけではなく関連する周辺の他の電子材料の劣化も早めてしまうという問題があるため、陰極の動作温度を極力低下させることが必要になる。
【０００５】
従来、陰極の加熱温度を低下させるために、Ｗなどの高融点金属にアルカリ土類金属の酸化物などの仕事関数の低い電子放射性物質を添加するという手法が採用されてきた。例えば、本出願人の先願に係わる特開平２ー10647 号公報によれば、高融点金属の粉末と電子放射性物質であるBa0, Sc₂O₃,Y₂O₃等の酸化物を一定重量比で混合し圧縮成形して後還元性雰囲気中で約2400^oC で焼結して得た焼結型陰極が開示されている。
【０００６】
上述した酸化物などの電子放射性物質は、概して、禁制帯幅が大きな半導体の性質を示し、しかも、フェルミレベルから伝導帯の底までのエネルギーレベル差(Ef ) が大きいために高抵抗の半導体の性質を示す。熱電子放出の難易度の目安である仕事関数φは、上記エネルギー差Efと、伝導帯の底から真空中のエネルギーレベルまでのエネルギーレベル差として定義される電子親和力χとの和（ Ef ＋χ )で与えられる。上述した酸化物などの電子放射性物質は、電子親和力χが小さいため、そのぶん仕事関数φが小さく、容易に電子を放出できるという特徴を有する。陰極表面から熱放射される電子は、理想的には、高融点金属中を表面の極近傍まで運ばれてきたのち高抵抗半導体の電子放射性物質中に注入され、仕事関数の小さな表面から放出される。高融点金属から電子放射性物質中への電子の注入は、ショットキーバリア・ダイオードの動作と類似している。
【０００７】
実際には、上記焼結型陰極では、高電流密度を実現するために電子放射性物質である酸化物の分量を増加してゆくと、基体金属の粉末の粒子間結合力が低下するとともに、層抵抗( 陰極抵抗) が増加する。このため、酸化物をある程度以上増加させることができないという欠点がある。また、金属粉末と酸化物粒子の分散は一定のバラツキがあるため電子放射特性がばらついたり、粒子間結合力の低下により耐イオン衝撃性が低下するという問題があった。
【０００８】
上記陰極抵抗を低減するため、電子放射性物質をニッケルバリウム合金などの金属の層で被覆したのち焼結するという発明が本出願人の先願に係わる特公平 5ー44766 号公報( 特開昭60ー249226号公報) に開示されている。この発明によれば、ニッケルバリウム合金で被覆されたＢａＯなどの電子放射性物質の粒子が板状の陰極基板の表面に層状に焼結される。この陰極では、熱放射対象の電子が電子放射性物質を被覆する金属層内を通して表面近傍まで運ばれるため、途中の直列抵抗は大幅に低下する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特公平 5ー44766 号公報に開示された陰極では、その表面に存在する電子放射性物質の粒子までもが金属の被覆で完全に覆われてしまっていると、陰極表面の電子的特性はそのような金属の被覆の特性で決まってしまい、電子放射性物質を導入した意味がなくなる。すなわち、この電子放射性物質が意味を持つためには、その粒子に対する金属の被覆が少なくとも表面では不完全であり、この結果、少なくとも表面では露出した電子放射性物質の粒子中に電子が注入され、かつ注入された電子が露出した粒子の表面から熱放出されることが必要になる。
【００１０】
更に、再現性のよい熱電子放射特性を実現するには、上記電子放射性物質に対する金属の被覆の不完全さを制御する必要がある。特に、陰極の表面では被覆が不完全で、内部では完全に近いことが望ましい。しかしながら、このように被覆の不完全さの制御は一般に困難であって特性のばらつきが避けられないため、印加電圧などの動作条件や、寿命などが相当にばらつくという問題がある。
従って、本発明の目的は、動作条件のばらつきが少なくしかも長寿命を実現できる構造の陰極及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の陰極は、表面の少なくとも一部がＷなどの高融点の金属の層で被覆され、この金属のものよりも小さな仕事関数と小さな導電性とを有する IIIa 族の元素の酸化物又はイットリアに他の IIIa 族の元素の酸化物を混合した電子放射性物質の粒子が焼結によって塊状又は層状に成形され、かつこの塊の先端部分又は層の表面部分が研磨されて露出された構造を呈している。この陰極は上記電子放射物質の粒子の表面の少なくとも一部を上記金属の層で覆い、この金属の層で覆われた電子放射物質の粒子を焼結して塊状又は層状に成形し、この団塊の先端部分又は表面部分を研磨して前記電子放射性物質を表面に露出させることにより製造される。
【００１２】
【作用】
製造時の最終段階において、陰極の塊状の先端部分や層状の表面部分が機械的にあるいは電気的に研磨される。焼結によって塊状又は層状にされた各電子放射性物質の粒子を被覆している高融点金属の層が上記研磨に伴って除去されて内部の電子放射性物質が露出する。各電子放射性物質の粒子の表面の少なくとも一部を焼結前に金属の層で被覆しておくことにより、研磨を受けないため金属層が残存している陰極内部では小さな陰極抵抗を実現できると共に、研磨を受けて金属の被覆層が除去され電子放射性物質が露出する表面では十分良好な電子放射特性を実現できる。
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明する。
【００１３】
【実施例】
最初に、電子放射性物質として使用する酸化イットリウム、すなわちイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）の粒子を作成する。まず、Ｙ（ＯＨ）₃などのイットリウムの水酸化物を灼熱することによりイットリアの粒子を作成し、必要に応じて、破砕と磨り潰しを行うことにより、直径 0.5μｍ〜10μｍの範囲の大きさのイットリアの粒子を作成する。イットリウムなどの稀土類元素は、Ｂａなどのアルカリ土類金属に比べて融点が高く、その酸化物のイットリアもアルカリ土類金属の酸化物に比べて融点が高い。このため、イットリアは、放電で発生する陽イオンによるスパッタリングに対してＢａＯなどよりも大きな耐性を有するという利点を有している。
【００１４】
次に、イットリアの粒子の表面の少なくとも一部を高融点金属として使用する厚み 1〜2 μｍのタングステン（Ｗ）の層で被覆する。このＷの被覆の形成方法としては、次のような各種のものを適用できる。
(1) イットリアの粒子を回転攪拌しながらＷＦ₆を原料ガスとするＣＶＤによりそれぞれの表面にＷの膜を堆積させる。
(2) イットリアの粒子を回転攪拌しながらそれぞれの表面にＷをスパッタリングにより付着させる。
(3) イットリアの粒子を回転攪拌しながらそれぞれの表面にＷＯ₃などの酸化タングステンを煙着により付着させ、続いて、水素還元を行って酸素のみを選択的に除去する。
【００１５】
次に、図１（Ａ）に示すように、Ｗの層で被覆されたイットリアの粒子を機械プレスや静水圧プレスなどの方法により、金属の陰極支持体１２上に円筒形状の塊１１として成形する。成形した塊１１を、還元性雰囲気の炉中で約 2,400^oC 〜2,500 ^oC に加熱することにより焼結する。図１（Ａ）中の拡大断面図に示すように、Ｗの層でほぼ完全に被覆されたイットリアの粒子が多孔質の塊を形成している。
【００１６】
次の工程の機械的な研磨を容易にするために、上記多孔質の団塊１１中に銅を含浸させる。この銅を含浸した団塊１１の先端部分を機械的に研磨することにより、図１（Ｂ）に示すように、鋭利な形状に成形する。この機械的な研磨が終了すると、真空中の加熱や、酸による溶解等の方法によって含浸した銅を除去する脱銅処理を行う。上述のように、機械的な研磨時にのみ展性に富む銅を含浸させることにより、研磨面の割れや欠けなどの機械な破損や、不純物の混入などによる汚染か有効に防止される。
【００１７】
この銅含浸の工程は、図１（Ｂ）に示すような鋭角の加工を必要とする場合などに特に有効である。なお，この銅含浸の工程は、酸化物粒子を金属被覆しているために実現できるものであり、従来の焼結型陰極では実施不能である。また、全製造工程の簡易化を図るためこの銅の含浸処理とこれに伴う脱銅処理とを省略することもできる。
【００１８】
図１（Ｂ）中の拡大断面図に示すように、塊１１の表面では機械的な研磨に伴ってＷの被覆が除去されることによりイットリウムが混在するイットリアの粒子の表面が露出され、良好な電子放出面を形成する。これに対して、塊１１の表面の内部ではイットリアの粒子の表面のうち少なくとも一部がＷの層で被覆されている。このため、粒子どうしが低抵抗のＷの層を介して接触され、この結果、陰極支持体１２と陰極表面との間に極めて低抵抗の給電路が形成される。
【００１９】
陰極表面に露出するタングステン成膜の少なくとも一部を炭化する処理を追加することもできる。この炭化処理は、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて炭素原子をタングステンの被膜上に供給することによって行われる。反応ガスとして混合比 1.0 vol％のＣＨ₄＋Ｈ₂を用い、反応圧力４０Torr程度とする。この炭化処理により、イットリア粒子が炭素によって還元され、一層小さな仕事関数の単体のイットリウムが生成される。イットリア上に残留する炭素は、酸素プラズマなどによって焼却除去される。この炭化処理を追加することで、電子放射特性を一層向上させることができる。
【００２０】
図２は、本発明の他の実施例の陰極の製造方法を説明する断面図である。この実施例と既に詳細に説明した上記実施例との相違点は、本実施例では、電極支持体２２が棒状ではなくて皿状の形状を呈すると共に、その上に焼結される炭化タングステンで被覆されたイットリアの多孔質体２１が塊状ではなくて層状を呈している点である。
【００２１】
図２（Ａ）は銅の含浸と機械的研磨が行われる前の陰極の断面図であり、その拡大断面図に示すように、陰極の表面のイットリア粒子の表面のうち少なくとも一部はＷによって被覆されている。図２（Ｂ）は、表面の機械的研磨の終了後の完成状体の断面図である。拡大断面図に示すように、層２１の表面では機械的な研磨に伴ってＷの被覆が除去されることによりイットリウムとイットリアが混在する粒子の表面が露出され、低い仕事関数の良好な電子放出面が形成される。これに対して、層２１の表面の内部ではイットリアの粒子がＷの層でほぼ完全に被覆されている。このため、粒子どうしが低抵抗のＷの層を介して接触され、陰極支持体２２と陰極表面との間に極めて低抵抗の給電路が形成される。この陰極は、傍熱型の陰極などとして利用される。
【００２２】
なお、図２（Ｂ）に示すような機械的研磨では、銅の含浸処理とこれに伴う脱銅処理を省略しても、なんら問題がない。また、陰極表面を炭化処理することで電子放射特性を向上させることができる。
【００２３】
以上、本発明の一実施例を説明したが、細部においてこれとは異なる以下に列挙するような種々の実施例や変形例を採用することができる。
【００２４】
電子放射性物質としてイットリアの代わりに、酸化スカンジュウムや酸化トリウムなどIIIa 族に属する他の元素の酸化物を使用する構成。あるいは、イットリアにこれらIIIa 族の他の元素の酸化物を混合したものを電子放射性物質として使用する構成。
【００２５】
高融点金属として、タングステンの代わりにＭｏやＩｒやＲｕなどの他の高融点金属を使用する構成。
【００２６】
陰極の表面を機械的に研磨する代わりに、放電加工などにより電気的に研磨する構成。
【００２７】
図１の陰極を冷陰極放電管用の陰極としてではなく他の電子管の電界放出型陰極として利用する構成。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の陰極は、電子放射性物質の粒子を覆う高融点金属の層が塊の先端部分や層の表面の研磨に伴って除去されて内部の電子放射性物質が露出する。このため、陰極の表面では良好な電子放射特性が実現されると共に表面の内部では良好な通電特性が実現される。
【００２９】
本発明の好適な実施例によれば、アルカリ土類元素の酸化物に代えてより高融点の稀土類元素の酸化物を電子放射性物質として使用する構成であるから、イオンによるスパッタリングへの耐性が向上し、長寿命化が実現される。
【００３０】
さらに、高融点金属の層に銅を含浸させることが可能となり、陰極形状の加工性が向上し、先端を一層鋭利に加工したり小型化することが可能になる。また、炭化処理工程を追加することで電子放射特性の一層の向上が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の陰極の形成方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明の他の実施例の陰極の形成方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
11,21 高融点金属(W) の被覆を有する電子放射性物質(Y₂O₃)の粒子を焼結して得た塊状、層状の成形体
12,22 陰極保持体

Claims

表面の少なくとも一部が金属の層で被覆され、この金属のものよりも小さな仕事関数と小さな導電性とを有するIIIa 族の元素の酸化物又はイットリアに他の IIIa 族の元素の酸化物を混合した電子放射性物質の粒子が焼結によって塊状又は層状の形状に成形され、かつこの塊の先端部分又は層の表面部分が研磨されて前記電子放射性物質が表面に露出されたことを特徴とする陰極。
請求項１において、
前記金属は、Ｗ，Ｍｏ，Ｉｒ及びＲｕのうちの少なくとも一つを含み、かつ
前記電子放射性物質は、酸化イットリウム、酸化スカンジュウム及び酸化トリウムのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする陰極。
請求項１及び２のそれぞれにおいて、
前記金属の層の少なくとも一部が炭化されたことを特徴とする陰極。
小さな仕事関数及び小さな導電性を有するIIIa 族の元素の酸化物又はイットリアに他の IIIa 族の元素の酸化物を混合した電子放射物質の粒子の表面の少なくとも一部を金属の層で覆う工程と、
この金属の層で覆われた前記電子放射性物質の粒子を焼結して塊状又は層状の形状に成形する工程と、
この塊の先端部分又は層の表面部分を研磨して前記電子放射性物質を表面に露出させる工程と
を含むことを特徴とする陰極の製造方法。
請求項４において、
前記研磨する工程に先立って前記塊の先端部分又は層の表面部分に銅を溶融含浸させる工程と、
前記研磨する工程の終了後に前記溶融含浸させた銅を除去する工程と
を更に含むことを特徴とする陰極の製造方法。
請求項４及び５のそれぞれにおいて、
前記金属は、Ｗ，Ｍｏ，Ｉｒ及びＲｕのうちの少なくとも一つを含み、かつ
前記電子放射性物質は、酸化イットリウム、酸化スカンジュウム及び酸化トリウムのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする陰極の製造方法。