JPH103849A

JPH103849A - 電子放出素子、電子源、画像形成装置及びそれらの製造方法

Info

Publication number: JPH103849A
Application number: JP17288296A
Authority: JP
Inventors: Takashi Noma; 敬野間
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-06-13
Filing date: 1996-06-13
Publication date: 1998-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】高品位画像形成装置を実現し得る電子ビーム
源としての電子放出素子を提供する。【解決手段】狭間隙部５と、これよりも広い間隙を有
する広間隙部４とを介して素子電極２，３が互いに対向
しており、狭間隙部５に炭素又は／及び炭素化合物を有
する電子放出部６が形成されていることを特徴とする電
子放出素子。【効果】電子放出部６の位置と形状を精度良く制御で
き、素子特性の均一化が実現される。

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、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、
及びそれら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
７に模式的に示す。同図において１は基板である。７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７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７の両端に電圧を印加通電し、導電性膜７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７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７の一部に形成される電子放出部６の形態は、導電
性膜７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ってしまう場合があっ
た。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、電子放出素子については、電子放出
素子を適用した画像形成装置が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。ここで言う効率とは、例
えば図１７に示したような表面伝導型電子放出素子であ
れば、導電性膜７の両端に電圧を印加した際に、導電性
膜７に流れる電流（以下、「素子電流」又はＩｆとい
う。）と真空中に放出される電流（以下、「放出電流」
又はＩｅという。）との比を指すものであり、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。安定的に制御し得る電子放出特性が得られ、また効
率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できる。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。

【００１５】本発明者らは、上記表面伝導型電子放出素
子の性能の改善につき検討した結果、上記フォーミング
処理を行った後、有機物質を含む雰囲気中で表面伝導型
電子放出素子に電圧を印加することによりＩｆおよびＩ
ｅが顕著に増大することを見いだした。この処理を「活
性化工程」と呼ぶ。活性化工程を施した表面伝導型電子
放出素子の電子放出部近傍には、炭素あるいは炭素化合
物が堆積しており、これがＩｆ，Ｉｅの増大をもたらし
たものと思われる。

【００１６】しかしながら、前述のように、電子放出部
となる導電性膜の破壊・変形領域の幅にバラツキを持つ
素子に対して、上記の活性化工程を施した場合、極端に
狭い破壊・変形領域は、電気的な抵抗が極端に小さくな
り、素子電流こそ流れるものの、電子放出を司らなくな
ってしまい、逆に極端に広い領域では電気的な抵抗が極
端に大きくなり、素子電流も流れず、電子放出も司らな
くなってしまう。このため、より均一な素子特性を得る
ためには、電子放出を司る領域（活性領域）の大きさと
分布が素子毎に変動しないことが必要であり、また、よ
り高効率な素子を得るためには、電気抵抗が小さ過ぎて
素子電流だけが大きくなり電子放出を司らない領域（リ
ーク領域）を、できるだけ少なくする必要がある。

【００１７】本発明は、上記問題を鑑み、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、より高い電子放出効率を達成し得る電子
放出素子を提供し、また、より高品位な画像を形成し得
る画像形成装置の提供を目的とするものである。

【００１８】

【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。

【００１９】即ち、本発明の第一は、一対の電極間に、
電子放出部を有する電子放出素子であって、前記一対の
電極は、狭間隙部と、該狭間隙部よりも広い間隙を有す
る広間隙部とを介して互いに対向しており、前記狭間隙
部に炭素又は／及び炭素化合物を有する電子放出部が形
成されていることを特徴とする電子放出素子にある。

【００２０】上記本発明第一の電子放出素子は、さらに
その特徴として、「前記一対の電極間の狭間隙部と広間
隙部が、交互に周期的に配列されている」こと、「前記
狭間隙部の間隔が、１００ｎｍ以下である」こと、「前
記炭素又は／及び炭素化合物を有する電子放出部が形成
されていない状態において、前記一対の電極間に１０Ｖ
の電圧を印加した時、該電極間に流れる電流が、電流の
流れ方向に直交する方向の長さ１００μｍあたり０．１
μＡ以下である」こと、をも含む。

【００２１】また、本発明の第二は、上記本発明第一の
電子放出素子の製造方法であって、前記炭素又は／及び
炭素化合物を有する電子放出部を形成する工程が、前記
電極間に電圧を印加する工程であることを特徴とする電
子放出素子の製造方法にある。

【００２２】上記本発明第二の製造方法は、さらにその
特徴として、「前記電極間に電圧を印加する工程を、有
機物質のガスを含む雰囲気中で行う」こと、「前記狭間
隙部と広間隙部とを介して互いに対向する一対の電極を
形成する工程が、集束イオンビーム技術あるいはフォト
リソ技術を用いて加工する工程を含む」こと、をも含
む。

【００２３】また、本発明の第三は、入力信号に応じて
電子を放出する電子源であって、上記本発明第一の電子
放出素子を、基板上に複数個配置したことを特徴とする
電子源にある。

【００２４】上記本発明第三の電子源は、さらにその特
徴として、「前記電子放出素子の複数が梯子状に配置さ
れており、個々の電子放出素子の両電極が並列に二本の
行配線に接続されており、更に変調手段を有する」こ
と、「前記複数の電子放出素子がマトリクス状に配置さ
れており、個々の電子放出素子の一方の電極を行配線に
接続し、個々の電子放出素子の他方の電極を前記行配線
と直交する列配線に接続した」こと、をも含む。

【００２５】また、本発明の第四は、上記本発明第三の
電子源の製造方法において、前記複数の電子放出素子を
上記本発明第二の方法で製造することを特徴とする電子
源の製造方法にある。

【００２６】また、本発明の第五は、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、上記本発
明第三の電子源と、画像形成部材とによって構成された
ことを特徴とする画像形成装置にある。

【００２７】更に、本発明の第六は、上記本発明第五の
画像形成装置の製造方法において、前記電子源を上記本
発明第四の方法で製造することを特徴とする画像形成装
置の製造方法にある。

【００２８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好ましい実施態様
を示す。

【００２９】本発明を適用し得る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。

【００３０】まず、平面型の電子放出素子について説明
する。

【００３１】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）は断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）の部分拡大
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は素子電極２，３間の間隙幅の広い広間隙
部、５は素子電極２，３間の間隙幅の狭い狭間隙部であ
る。６は狭間隙部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。

【００３２】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。

【００３３】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、例えばＮｉ、Ｃ
ｒ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ等
の金属或は合金及びＰｄ、Ａｇ、Ａｕ、ＲｕＯ₂ 、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され
る。

【００３４】素子電極長さＷは、電極の抵抗値、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。その膜厚ｄは、数十ｎｍから数μｍの範囲と
することができる。

【００３５】素子電極２，３間の狭間隙部５と広間隙部
４は、電子放出部の分布を考慮すると、交互に周期的に
配列されているのが好ましい。広間隙部４の長さＷ１、
狭間隙部５の長さＷ２、素子電極の全体形状等は、応用
される形態等を考慮して設計されが、隣接する狭間隙部
５の距離（即ち、広間隙部４の長さＷ１）は、素子電極
の加工容易性と、素子の電子放出特性を考慮して、数μ
ｍ〜数十μｍの範囲とすることが望ましい。

【００３６】狭間隙部５の間隔Ｌ２は、１００ｎｍ以下
であることが好ましく、５０ｎｍ以下とするのがより好
ましい。狭間隙部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狭間隙部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。また、広間隙部４の間隔Ｌ１は、狭間隙部５の間隔
Ｌ２よりも大きいことが必要であり、例えば２００ｎｍ
以上とするのが好ましい。広間隙部４の間隔Ｌ１が小さ
過ぎると、活性化処理により炭素又は／及び炭素化合物
が当該広間隙部４にも堆積する場合があり、均一な電子
放出特性が得難くなる。

【００３７】また、炭素又は／及び炭素化合物を有する
電子放出部が形成されていない状態において、素子電極
間に１０Ｖの電圧を印加した時、該電極間に流れる電流
が、電流の流れ方向に直交する方向の長さ１００μｍあ
たり０．１μＡ以下であることが好ましい。この電流が
０．１μＡよりも大きいと、後述する活性化処理の際に
電子放出に寄与しない電流が素子電極間に、多く流れる
ようになり、高効率な電子放出特性が得難くなる。

【００３８】素子電極長さＷ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
とができる。素子電極２，３の膜厚は、数十ｎｍから数
μｍの範囲とすることができる。

【００３９】狭間隙部５に形成された電子放出部６は、
後述する活性化処理に伴い炭素又は／及び炭素化合物を
含有している。

【００４０】次に、垂直型の電子放出素子について説明
する。

【００４１】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、素子電極２及び３、
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。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Ｓ
ｉＯ₂ 等の絶縁性材料で構成することができる。広間隙
部４及び狭間隙部５を形成する段差形成部２１の各部の
膜厚は、夫々先に述べた平面型の電子放出素子の素子電
極間隔Ｌ１及びＬ２に対応する。

【００４２】図１に示した構成の本発明の電子放出素子
を例に、図３の製造工程図に基づいてその製造方法の一
例を以下に説明する。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。

【００４３】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し（図３（ａ））、例えばフォ
トリソグラフィー技術、ＦＩＢ（集束イオンビーム）技
術を用いて、基板１上に広間隙部４と狭間隙部５を介し
て対向する素子電極２，３を形成する（図３（ｂ），
（ｃ））。

【００４４】２）次に、活性化工程と呼ばれる処理を施
す。活性化工程とは、素子電極２，３間の狭間隙部５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。

【００４５】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、従来行われていた通電フォーミン
グと同様に、素子電極２，３間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、前述の素子電極の形態、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狭間隙部５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。

【００４６】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、３０ｎ
ｍ以下の範囲とすることがより好ましい。

【００４７】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。

【００４８】上記活性化工程で用いる電圧波形の例を図
４に示す。

【００４９】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４（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４（ｂ）に示した手法
がある。

【００５０】まず、パルス波高値を定電圧とした場合に
ついて図４（ａ）で説明する。図４（ａ）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。矩
形波の波高値は、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、矩形波
に限定されるものではなく、三角波等の所望の波形を採
用することができる。

【００５１】次に、パルス波高値を増加させながら電圧
パルスを印加する場合について図４（ｂ）で説明する。
図４（ｂ）におけるＴ１及びＴ２は、図４（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。

【００５２】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。

【００５３】３）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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】上述した工程を経て得られた本発明の電子
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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】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。

【００６９】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。

【００７０】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。

【００７１】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７を用いて説明する。図７において、７１は電子
源基板、７２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。

【００７２】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）。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】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。

【００７６】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。

【００７７】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。

【００７８】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。

【００７９】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。

【００８０】７４は、図１に示したような電子放出素子
である。７２，７３は、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。

【００８１】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。

【００８２】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。

【００８３】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。

【００８４】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。

【００８５】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。

【００８６】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。

【００８７】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。

【００８８】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。

【００８９】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。

【００９０】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。

【００９１】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。

【００９２】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。

【００９３】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。

【００９４】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。

【００９５】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。

【００９６】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。

【００９７】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。

【００９８】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。

【００９９】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。

【０１００】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。

【０１０１】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。

【０１０２】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。

【０１０３】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。

【０１０４】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。

【０１０５】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。尚、本例
においては、電子放出素子１１１の第３の電極（不図
示）は、各素子行の一方の共通配線に接続されている。
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。

【０１０６】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。

【０１０７】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。

【０１０８】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。

【０１０９】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。

【０１１０】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。

【０１１１】

【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。

【０１１２】［実施例１］本実施例に係わる電子放出素
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は広間隙部、５は狭間隙部、
６は電子放出部である。

【０１１３】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、本実施例に係わる素子の基本的な構成及び製
造法を順を追って説明する。

【０１１４】基板１として厚さ約１ｍｍの石英基板を用
い、これを有機溶剤によって十分に洗浄後、該基板１上
に、フォトリソグラフィー技術によりレジストマスクを
作成し、その後素子電極材料としてＴｉ，Ｐｔをこの順
序でスパッタ蒸着法により堆積した。Ｔｉ及びＰｔの堆
積膜厚はそれぞれ５ｎｍ及び３０ｎｍである。その後、
リフトオフ法により、長さＷ＝３００μｍの素子電極膜
パターンを形成した（図３（ａ））。

【０１１５】次にＦＩＢ加工技術により、素子電極膜に
間隙部を形成し、素子電極２，３を形成した。具体的に
は、まず広間隙部４のＦＩＢ加工を行い（図３
（ｂ））、次いで狭間隙部５のＦＩＢ加工を行った（図
３（ｃ））。広間隙部４の間隔Ｌ１は５００ｎｍ、狭間
隙部５の間隔Ｌ２は３０ｎｍとした。また、各広間隙部
４の長さＷ１は２μｍ、各狭間隙部５の長さＷ２は１μ
ｍであり、これが、電極の全長である３００μｍに渡っ
て繰り返されている。従って、本実施例の電子放出素子
では、１００個の狭間隙部５が等間隔で並んでおり、後
述の活性化処理により等間隔で１００個の電子放出部６
が形成されることになる。ＦＩＢ加工後の素子電極２，
３間に電圧１０Ｖを印加して流れる電流を測定したとこ
ろ、０．１μＡ以下であり、電極間の電気的絶縁が確認
された。

【０１１６】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１×１０^-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５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。

【０１１７】本実施例の活性化処理では、図４（ａ）中
のＴ１を５ｍｓ、Ｔ２を１０ｍｓとし、矩形波の波高値
は１４Ｖとし、３０分間行った。これにより、活性化処
理前には殆ど０であった素子電流Ｉｆが流れるようにな
ると共に、電子放出機能が付与される。

【０１１８】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１×１０^-6Ｔｏｒｒとした後、電子放出特性を評価し
た。

【０１１９】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４ｍｍ、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に示すような電圧−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１４Ｖでは素子電流Ｉｆが１ｍＡ、放出
電流Ｉｅが１．２μＡとなり、電子放出効率η＝Ｉｅ／
Ｉｆ（％）は０．１２％であった。

【０１２０】また、本素子の素子電極間の間隙部をＦＥ
−ＳＥＭで観察したところ、狭間隙部５には数ｎｍの粒
径をもつ粒状物が密集した形態が確認されたが、広間隙
部４にはこのような形態は確認されなかった。また、狭
間隙部５をオージェ電子分光分析したところ、炭素の強
いピークが検出された。

【０１２１】次に同様な方法で１０素子を作成し、素子
毎の放出電流Ｉｅのばらつきを調べたところ、ばらつき
は１３％であった。

【０１２２】［実施例２］素子電極材料として、厚さ３
０ｎｍのＰｄをスパッタ蒸着し、素子電極を形成した以
外は、実施例１と同様にして電子放出素子を作成したと
ころ、実施例１と同様な電子放出特性が得られ、１０素
子の放出電流Ｉｅのばらつきも同程度であった。

【０１２３】［実施例３］活性化処理を、真空容器内を
イオンポンプで十分に真空排気した後に約１×１０^-4Ｔ
ｏｒｒのアセトンを導入してから行った以外は、実施例
１と同様にして電子放出素子を作成したところ、実施例
１と同様な電子放出特性が得られ、１０素子の放出電流
Ｉｅのばらつきも同程度であった。

【０１２４】［実施例４］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。

【０１２５】複数対の素子電極がマトリクス配線された
基板の一部の平面図を図１３に示す。また、図中のＡ−
Ａ’断面図を図１４に示す。但し、図１３、図１４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１０のＤｘｍに対応するＸ方向配線（下配
線とも呼ぶ）、７３は図１０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、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。

【０１２６】先ず、本実施例の電子源の製造方法を、図
１５及び図１６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
５の（ａ）〜（ｄ）及び図１６の（ｅ）〜（ｆ）に対応
する。

【０１２７】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、ホトレジスト（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。

【０１２８】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。

【０１２９】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。

【０１３０】工程−ｄ次に実施例１と同様にして素子電極材料を堆積させた
後、ＦＩＢ加工技術により、素子電極膜に広間隙部４と
狭間隙部５を形成し、素子電極２，３を形成した。

【０１３１】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８３を形成し
た。

【０１３２】工程−ｆ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。

【０１３３】以上の工程により、絶縁性基板１上に下配
線７２、層間絶縁層１６１、上配線７３、素子電極２，
３を形成した。

【０１３４】次に、以上のようにして作製した複数対の
素子電極がマトリクス配線された基板１（図１３）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。

【０１３５】先ず、上記複数対の素子電極がマトリクス
配線された基板１（図１３）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８
６（ガラス基板８３の内面に蛍光膜８４とメタルバック
８５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４
３０℃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。

【０１３６】図８において、７４は電子放出素子、７
２，７３はそれぞれＸ方向及びＹ方向の配線である。

【０１３７】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、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。

【０１３８】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。

【０１３９】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。

【０１４０】前述の封着を行う際、カラーの場合は各色
蛍光体９２と電子放出素子７４とを対応させなくてはい
けないため、十分な位置合わせを行った。

【０１４１】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）を通じロータリーポンプにて
排気し、容器外端子Ｄｘ１乃至ＤｘｍとＤｙ１乃至Ｄｙ
ｎ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。

【０１４２】この後、不図示の排気管を通じ、外囲器８
８内を１０^-6Ｔｏｒｒ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溶着し、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。ゲッターは
Ｂａ等を主成分とした。

【０１４３】以上のようにして完成した本発明の画像形
成装置において、容器外端子Ｄｘ１乃至ＤｘｍとＤｙ１
乃至Ｄｙｎを通じ、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８４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。

【０１４４】本実施例における画像表示装置は、良好な
画像を均一かつ精度良く表示することができた。

【０１４５】

【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数及び分布を、各電子放出素
子の間で一定にすることができるので、素子特性を均一
化できる。また、電子放出部を素子内に一様に分布させ
ることにより、素子の一部分に過電流が流れることを防
止することができ、耐久性に優れた電子放出素子を実現
できる。さらには、素子電極間にリーク領域が存在せ
ず、より高い電子放出効率を実現できる。

【０１４６】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
子放出素子の一例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
子放出素子の一例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】フォーミング処理に用いる電圧波形の一例であ
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】単純マトリクス配置の本発明の電子源の概略構
成図である。

【図８】単純マトリクス配置の電子源を用いた本発明の
画像形成装置に用いる表示パネルの概略構成図である

【図９】図８の表示パネルにおける蛍光膜を示す図であ
る。

【図１０】図８の表示パネルを駆動する駆動回路の一例
を示す図である。

【図１１】梯子型配置の本発明の電子源の概略平面図で
ある。

【図１２】梯子型配置の電子源を用いた本発明の画像形
成装置に用いる表示パネルの概略構成図である。

【図１３】実施例４にて示す単純マトリクス配置の電子
源の部分平面図である。

【図１４】図１３の電子源の部分断面図である。

【図１５】図１３の電子源の製造方法を説明するための
図である。

【図１６】図１３の電子源の製造方法を説明するための
図である。

【図１７】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広間隙部５狭間隙部６電子放出部７導電性膜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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の電極間に、電子放出部を有する電
子放出素子であって、前記一対の電極は、狭間隙部と、
該狭間隙部よりも広い間隙を有する広間隙部とを介して
互いに対向しており、前記狭間隙部に炭素又は／及び炭
素化合物を有する電子放出部が形成されていることを特
徴とする電子放出素子。
【請求項２】前記一対の電極間の狭間隙部と広間隙部
が、交互に周期的に配列されていることを特徴とする請
求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】前記狭間隙部の間隔が、１００ｎｍ以下
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。
【請求項４】前記炭素又は／及び炭素化合物を有する
電子放出部が形成されていない状態において、前記一対
の電極間に１０Ｖの電圧を印加した時、該電極間に流れ
る電流が、電流の流れ方向に直交する方向の長さ１００
μｍあたり０．１μＡ以下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。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の電子放
出素子の製造方法であって、前記炭素又は／及び炭素化
合物を有する電子放出部を形成する工程が、前記電極間
に電圧を印加する工程であることを特徴とする電子放出
素子の製造方法。
【請求項６】前記電極間に電圧を印加する工程を、有
機物質のガスを含む雰囲気中で行うことを特徴とする請
求項５に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項７】前記狭間隙部と広間隙部とを介して互い
に対向する一対の電極を形成する工程が、集束イオンビ
ーム技術あるいはフォトリソ技術を用いて加工する工程
を含むことを特徴とする請求項５に記載の電子放出素子
の製造方法。
【請求項８】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１〜４のいずれかに記載の電子放出素
子を、基板上に複数個配置したことを特徴とする電子
源。
【請求項９】前記電子放出素子の複数が梯子状に配置
されており、個々の電子放出素子の両電極が並列に二本
の行配線に接続されており、更に変調手段を有すること
を特徴とする請求項８に記載の電子源。
【請求項１０】前記複数の電子放出素子がマトリクス
状に配置されており、個々の電子放出素子の一方の電極
を行配線に接続し、個々の電子放出素子の他方の電極を
前記行配線と直交する列配線に接続したことを特徴とす
る請求項８に記載の電子源。
【請求項１１】請求項８〜１０のいずれかに記載の電
子源の製造方法において、前記複数の電子放出素子を請
求項５〜７のいずれかに記載の方法で製造することを特
徴とする電子源の製造方法。
【請求項１２】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８〜１０のいずれかに
記載の電子源と、画像形成部材とによって構成されたこ
とを特徴とする画像形成装置。
【請求項１３】請求項１２に記載の画像形成装置の製
造方法において、前記電子源を請求項１１に記載の方法
で製造することを特徴とする画像形成装置の製造方法。