JPH11329224A - Orbit calculating method for charged particle and device thereof - Google Patents

Orbit calculating method for charged particle and device thereof

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JPH11329224A
JPH11329224A JP13397698A JP13397698A JPH11329224A JP H11329224 A JPH11329224 A JP H11329224A JP 13397698 A JP13397698 A JP 13397698A JP 13397698 A JP13397698 A JP 13397698A JP H11329224 A JPH11329224 A JP H11329224A
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JP
Japan
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electron
emitting device
electrons
emitted
trajectory
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JP13397698A
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Japanese (ja)
Inventor
Shigeki Matsutani
茂樹 松谷
Masahiro Okuda
昌宏 奥田
Akira Asai
朗 浅井
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Canon Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To estimate on the orbits of electrons in a system where emitted electrons are reflected and scattered, and to quantify the quantity of the electrons getting to an accelerating electrode to which the electrons are emitted. SOLUTION: This orbit calculation method and its device calculate orbits of charged particles emitted from an electron emission element. In a system provided with the electron emitting element and an accelerating electrode accelerating the electrons emitted from the electron emitting element in the direct upper direction of the electron emitting element, the distribution f(x) of landing spots where the electrons emitted from the electron emitting element fall near the electron emitting element when the potential of the accelerating electrode is set at zero is calculated (S2). According to the calculated landing spot distribution f(x), a carry-over factor of the electrons from the electron emitting element to the accelerating electrode in the case where the effects from the voltage impressed on the accelerating electrode is considered is obtained from the integrated value of the landing spot distribution f(x) from a stagnation point xS multiplied by a constant.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電子の軌道を模擬
的に計算する技術に関するもので、特に電子放出素子か
ら放出される荷電粒子の軌道を計算する軌道計算方法及
びその装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for simulating the trajectory of electrons, and more particularly to a trajectory calculation method and apparatus for calculating the trajectory of charged particles emitted from an electron-emitting device. .

【0002】[0002]

【従来の技術】真空中での従来の電子の軌道計算に関し
ては、既に多くの文献があり、例えば、Principles of
Electron Optics P.W.Hawkes and E.Kasper vol 1.2.
(Academic Press 1989年発行)に詳しい。それらによ
ると、境界条件に応じた電場を計算し、その電場に対し
てニュートンの運動方程式を解くことで電子の軌道計算
を行うことができる。これらの計算方法に関しては種々
の研究がなされ、種々の電子源(熱電子源、スピント型
等)を使用した電子デバイス素子の電子光学的設計に関
して重要な役割を果たしてきた。特に、従来の真空管を
使用したモニタの開発設計に対して多大な貢献をしてき
た。
2. Description of the Related Art There are many literatures on conventional electron orbit calculations in a vacuum. For example, the Principles of
Electron Optics PWHawkes and E. Kasper vol 1.2.
(Academic Press 1989). According to them, the trajectory of an electron can be calculated by calculating an electric field corresponding to the boundary condition and solving Newton's equation of motion with respect to the electric field. Various studies have been made on these calculation methods, and they have played an important role in the electro-optical design of electronic device elements using various electron sources (thermionic sources, Spindt type, etc.). In particular, it has greatly contributed to the development and design of monitors using conventional vacuum tubes.

【0003】このような軌道計算装置が対象とする物理
系として、電子放出素子から放出された電子の軌道計算
が挙げられる。このような電子放出素子について以下に
説明する。
[0003] As a physical system targeted by such a trajectory calculator, there is a trajectory calculation of electrons emitted from an electron-emitting device. Such an electron-emitting device will be described below.

【0004】従来、電子放出素子と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型と略す)、金
属/絶縁層/金属型(以下MIM型と略す)や表面伝導
型放出素子(以下SCEと略す)等がある。
Conventionally, two types of electron-emitting devices are known: a thermionic electron-emitting device and a cold cathode electron-emitting device. The cold cathode electron-emitting devices include a field emission type (hereinafter abbreviated as FE type), a metal / insulating layer / metal type (hereinafter abbreviated as MIM type), and a surface conduction type emission device (hereinafter abbreviated as SCE).

【0005】FE型の例としては、W.P.Dyke and W.W.D
olan,"Field emission",Advance inElectron Physics,
8,89(1956)、あるいはC.A.Spindt,"Physical Propertie
s ofthin-film feld emission cathodes with molybden
ium cones",J.Appl・Phys.,47,5248(1976)等が知られて
いる。MIM型の例としてはC.A・Mead,"The tunnel emm
ission amplifier, J.Appl.Phys.,32,646(1961)等が知
られている。SCE型の例としては、M.I.Elinson,Radi
o Eng.Electron Phys.,10,(1965)等がある。FE型の一
例であるスピント型の電子源に対する電子軌道計算に関
しては、例えば、W.J.Orvis,C.F.McConaghy,D.R・Ciarl
o,J.H.Yee and E.W.Hee IEEE Trans.Electron Devices
36(1989),2651-2658に報告されている。
[0005] Examples of the FE type include WPDyke and WWD.
olan, "Field emission", Advance inElectron Physics,
8,89 (1956), or CASpindt, "Physical Propertie
s ofthin-film feld emission cathodes with molybden
ium cones ", J. Appl. Phys., 47, 5248 (1976), etc. An example of the MIM type is CA Mead," The tunnel emm.
Ission amplifier, J. Appl. Phys., 32, 646 (1961) and the like are known. Examples of SCE types include MIElinson, Radi
o Eng. Electron Phys., 10, (1965). Regarding the electron orbital calculation for the Spindt type electron source which is an example of the FE type, see, for example, WJ Orvis, CFMcConaghy, DR · Ciarl
o, JHYee and EWHee IEEE Trans.Electron Devices
36 (1989), 261-2658.

【0006】SCE型は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。この表面伝導型放出
素子としては、前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.Dittmer:"Thin So
lid Films",9,317(192)]、In2O3/SnO2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。
[0006] The SCE type utilizes a phenomenon in which electron emission occurs when a current flows in a small-area thin film formed on a substrate in parallel with the film surface. Examples of the surface conduction electron-emitting device include a device using an SnO2 thin film by Elinson et al. And a device using an Au thin film [G. Dittmer: "Thin So
lid Films ", 9,317 (192)], using In2O3 / SnO2 thin film [M. Hartwell and CGFonstad:" IEEE Trans.ED
Conf. ", 519 (1975)], using a carbon thin film [Hisashi Araki et al .: Vacuum, Vol. 26, No. 1, p. 22, p. 1983]
Etc. have been reported.

【0007】これらの表面伝導型放出素子の典型的な素
子構成として前述のM.ハートウェルの素子構成を図1
5に示す。同図において、2001は絶縁性基板、20
02は電子放出部形成用薄膜で、H型形状のパターンに
スパッタで形成された金属酸化物薄膜等からなり.後述
のフォーミングと呼ばれる通電処理により電子放出部2
003が形成される。2004は電子放出部2003を
含む薄膜と呼ぶことにする。尚、図中のL1は、0.5
〜1mm、W1は、0.1mmで設定されている。
A typical device configuration of these surface conduction electron-emitting devices is described in the aforementioned M.A. Figure 1 shows the device configuration of Hartwell
It is shown in FIG. In the figure, reference numeral 2001 denotes an insulating substrate;
Reference numeral 02 denotes a thin film for forming an electron-emitting portion, which is formed of a metal oxide thin film or the like formed by sputtering in an H-shaped pattern. The electron emission portion 2 is formed by an energization process called forming, which will be described later.
003 is formed. Reference numeral 2004 denotes a thin film including the electron-emitting portion 2003. L1 in the figure is 0.5
11 mm and W1 are set at 0.1 mm.

【0008】これらの表面伝導型放出素子においては、
電子放出を行う前に電子放出部形成用薄膜2002に、
予めフォーミングと呼ばれる通電処理によって電子放出
部2003を形成するのが一般的である。ここで、フォ
ーミングとは前記電子放出部形成用薄膜2002の両端
に直流電圧あるいは非常にゆっくりとした昇電圧、例え
ば1V/分程度を印加通電し、電子放出部形成用薄膜2
002を局所的に破壊、変形もしくは変質せしめ、電気
的に高抵抗な状態にした電子放出部2003を形成する
ことである。なお、電子放出部2003は電子放出部形
成用薄膜2002の一部に亀裂が発生したもので、その
亀裂付近から電子放出が行われる。以下、フォーミング
により形成した電子放出部2003を含む電子放出部形
成用薄膜2002を電子放出部2003を含む薄膜20
04と呼ぶ。このフォーミング処理をした表面伝導型放
出素子は、上述電子放出部22003を含む薄膜200
4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2003より電子を放出せしめるものであ
る。
In these surface conduction type emission devices,
Before performing electron emission, the thin film 2002 for forming an electron emission portion is
Generally, the electron-emitting portion 2003 is generally formed in advance by an energization process called forming. Here, forming refers to applying a DC voltage or a very slowly increasing voltage, for example, about 1 V / min, to both ends of the thin film for forming an electron emission portion 2002 and energizing the thin film for forming an electron emission portion 2.
002 is locally broken, deformed or altered to form an electron emitting portion 2003 in an electrically high resistance state. Note that the electron-emitting portion 2003 has a crack in a part of the thin film 2002 for forming an electron-emitting portion, and the electron is emitted from the vicinity of the crack. Hereinafter, the thin film 2002 for forming the electron emitting portion including the electron emitting portion 2003 formed by the forming is referred to as the thin film 20 including the electron emitting portion 2003.
Call it 04. The surface-conduction emission type electron-emitting device subjected to the forming process is a thin film 200 including the above-mentioned electron emission portion 22003.
By applying a voltage to the element 4 and causing a current to flow through the element, electrons are emitted from the above-described electron emitting section 2003.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記S
CE型の電子放出素子からの電子放出に関しては、従来
の電子軌道計算のみでは説明できない現象、つまり電子
の散乱を考慮しないと実験事実を再現できないことがあ
る。例えば、前述の表面電導素子(以下、SCE素子と
略す)においては、SCE素子の陽極表面での電子の散
乱が本質的であることを本願発明者によって発見され
た。このようなSCE素子の陽極表面での電子の反射は
量子力学的な現象であり、従来、電子軌道計算で扱われ
てきたニュートン方程式に従わない現象であることが知
られている。
However, the above S
Regarding the electron emission from the CE-type electron-emitting device, a phenomenon that cannot be explained only by the conventional electron orbital calculation, that is, an experimental fact cannot be reproduced without considering electron scattering. For example, in the above-mentioned surface conduction element (hereinafter, abbreviated as SCE element), the inventors of the present application have found that scattering of electrons on the anode surface of the SCE element is essential. The reflection of electrons on the anode surface of such an SCE element is a quantum mechanical phenomenon, and is known to be a phenomenon that does not follow the Newton equation conventionally used in electron orbit calculation.

【0010】更に、SCE素子の陽極表面上に衝突した
電子は、SCE素子の陽極表面上で全ての電子を散乱さ
せるのではなく、放出された電子の一部がSCE素子の
陽極に吸収されることが種々の実験事実より判ってきて
いる。実際、放出された電子を、対向して配置されてい
る発光素子側に加速する加速電極の電位が低い場合,そ
の放出された電子の約90%以上が陽極に吸収されるこ
とが知られている。従って、このような加速電極が存在
しない場合には、電子放出部より放出された電子のほと
んどはSCE素子の陽極に吸収されてしまう。このた
め、これらSCE素子から放出された電子の軌道を精度
よく計算することが困難であった。
[0010] Furthermore, the electrons that collide with the anode surface of the SCE element do not scatter all the electrons on the anode surface of the SCE element, but some of the emitted electrons are absorbed by the anode of the SCE element. This is known from various experimental facts. In fact, it is known that when the potential of the accelerating electrode for accelerating emitted electrons toward the light emitting element arranged oppositely is low, about 90% or more of the emitted electrons are absorbed by the anode. I have. Therefore, when such an accelerating electrode does not exist, most of the electrons emitted from the electron emitting portion are absorbed by the anode of the SCE element. For this reason, it has been difficult to accurately calculate the trajectories of the electrons emitted from these SCE elements.

【0011】そこで、古典力学であるところの電子軌道
計算と、量子力学効果であるところの表面反射とを実際
の系に応じて融合し、更に上述の系をモデル化した系で
効率よく電子の軌道を計算する方法及び装置が求められ
ている。
Therefore, the electron orbital calculation, which is a classical mechanics, and the surface reflection, which is a quantum mechanical effect, are fused in accordance with the actual system. There is a need for a method and apparatus for calculating a trajectory.

【0012】このような電子軌道計算は、モンテカルロ
計算を行えば可能となるが、莫大な計算量となり、計算
のための費用が増大し、デバイスの設計計算を行う際の
問題となっていた。
Such an electron orbital calculation can be performed by performing Monte Carlo calculation, but it requires a huge amount of calculation, increases the cost for calculation, and has been a problem when performing device design calculation.

【0013】本発明は上記従来例に鑑みてなされたもの
で、放出された電子が反射・散乱される系における電子
の軌道を推測して、放出対象の加速電極に到達する電子
量を定量化する荷電粒子の軌道計算方法とその装置を提
供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above conventional example, and estimates the trajectory of electrons in a system in which emitted electrons are reflected and scattered, and quantifies the amount of electrons reaching an acceleration electrode to be emitted. It is an object to provide a method and an apparatus for calculating the trajectory of charged particles.

【0014】また本発明の目的は、計算量を少なくし
て、対象となる加速電極に到達する電子量を求めること
ができる荷電粒子の軌道計算方法とその装置を提供する
ことにある。
Another object of the present invention is to provide a method and an apparatus for calculating the trajectory of a charged particle capable of obtaining the amount of electrons reaching the target accelerating electrode while reducing the amount of calculation.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の荷電粒子の軌道計算装置は以下のような構成
を備える。即ち、電子放出素子から放出される荷電粒子
の軌道を計算する軌道計算装置であって、電子放出素子
と前記電子放出素子から放出された電子を前記電子放出
素子の真上方向に加速させる加速電極とを備える系にお
ける、前記加速電極による影響を考慮することなく前記
電子放出素子から放出された電子が前記電子放出素子近
傍に落下する着地点分布を計算する第1計算手段と、前
記第1計算手段により計算された着地点分布に基づき、
前記加速電極に印加された電圧による影響を考慮した場
合の前記電子放出素子から前記加速電極への電子の到達
率を求める第2計算手段と、を有することを特徴とす
る。
In order to achieve the above object, a charged particle trajectory calculation apparatus according to the present invention has the following arrangement. That is, a trajectory calculation device for calculating the trajectory of charged particles emitted from an electron-emitting device, comprising an electron-emitting device and an acceleration electrode for accelerating electrons emitted from the electron-emitting device in a direction directly above the electron-emitting device. A first calculating means for calculating a distribution of landing points at which electrons emitted from the electron-emitting device fall near the electron-emitting device without considering the influence of the accelerating electrode, in the system comprising: Based on the landing point distribution calculated by the means,
And a second calculating means for calculating a rate of arrival of electrons from the electron-emitting device to the acceleration electrode in consideration of an influence of a voltage applied to the acceleration electrode.

【0016】上記目的を達成するために本発明の荷電粒
子の軌道計算方法は以下のような工程を備える。即ち、
電子放出素子から放出される荷電粒子の軌道を計算する
軌道計算方法であって、電子放出素子と、前記電子放出
素子に略平行に設けられた加速電極とを備える系の電界
分布を近似し、前記電子放出素子の陽電極の方向をx軸
にとり、前記x軸の原点を前記電子が放出される点と
し、前記陽電極上に生じる電界が略ゼロとなるx軸での
位置xSを求め、前記位置xSを比例係数とする前記x軸
上での着地点分布の面積に基づいて前記加速電極に到達
する電子量を求めることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the method for calculating the trajectory of a charged particle according to the present invention comprises the following steps. That is,
A trajectory calculation method for calculating the trajectory of charged particles emitted from an electron-emitting device, which approximates the electric field distribution of a system including an electron-emitting device and an acceleration electrode provided substantially in parallel to the electron-emitting device, The direction of the positive electrode of the electron-emitting device is taken on the x-axis, the origin of the x-axis is taken as the point where the electrons are emitted, and the position xS on the x-axis at which the electric field generated on the positive electrode is substantially zero is obtained. The amount of electrons reaching the accelerating electrode is obtained based on the area of the landing point distribution on the x-axis using the position xS as a proportional coefficient.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好適な実施の形態を詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

【0018】図2は、本実施の形態の電子軌道計算装置
の概略構成を示すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the electron trajectory calculation device of the present embodiment.

【0019】図2において、1は入力部で、計算に使用
する各種パラメータを入力する。2は出力部で、計算結
果を出力する例えばプリンタなどである。3は制御部
で、後述する図1に示す処理を実行して電子軌道の計算
を行うように制御している。4は記憶部で、各種データ
を記憶している。5は計算部で、後述する各種計算を実
行している。6はモニタで、計算結果などを表示する。
入力部1により電子軌道計算に関するパラメータを入力
して計算を行わせる。
In FIG. 2, reference numeral 1 denotes an input unit for inputting various parameters used for calculation. Reference numeral 2 denotes an output unit such as a printer for outputting a calculation result. Reference numeral 3 denotes a control unit, which controls to execute a process shown in FIG. A storage unit 4 stores various data. Reference numeral 5 denotes a calculation unit which executes various calculations described later. Reference numeral 6 denotes a monitor for displaying calculation results and the like.
The input section 1 inputs parameters related to the electron orbit calculation and causes the calculation to be performed.

【0020】図1は、本発明の実施の形態の電子軌道計
算装置における軌道計算処理を示すフローチャートであ
る。
FIG. 1 is a flowchart showing a trajectory calculation process in the electron trajectory calculation device according to the embodiment of the present invention.

【0021】まずステップS1で、必要なパラメータを
入力し、次にステップS2で、演算部5により電子軌道
計算を実行させる。ここでは加速電極の電位をゼロとし
て(Va=0)電子の着地点分布を計算し、その後ステ
ップS3で、加速電極の効果を後述する淀み点xSより
採り入れ、ステップS4で、電子の到達率を計算する。
そしてステップS5に進み、出力部2あるいはモニタ6
に結果を出力する。
First, in step S1, necessary parameters are input, and then, in step S2, the calculation unit 5 causes the calculation unit 5 to execute electron trajectory calculation. Here, the potential of the accelerating electrode is set to zero (Va = 0), and the distribution of landing points of the electrons is calculated. Then, in step S3, the effect of the accelerating electrode is taken in from a stagnation point xS described later. calculate.
Then, the process proceeds to step S5, where the output unit 2 or the monitor 6
Output the result to

【0022】[実施の形態1]まず、本実施の形態の電
子軌道計算装置の対象とする電子放出素子の幾何学的形
状に関して説明する。この形状は後述する表面伝導型放
出素子を模擬する物理模型になっている。本実施の形態
の電子軌道計算は、この仮想的な電子放出素子の物理模
型に対して行われる。
[Embodiment 1] First, the geometrical shape of an electron-emitting device which is an object of the electron trajectory calculation apparatus of the present embodiment will be described. This shape is a physical model that simulates a surface conduction electron-emitting device described later. The electron trajectory calculation in the present embodiment is performed on the physical model of this virtual electron-emitting device.

【0023】まず、本実施の形態の電子軌道計算装置に
ついて説明する前に、本実施の形態の電子軌道計算の主
たる対象である表面伝導素子の基本的な構成について図
3を参照して説明する。
First, before describing the electron trajectory calculation apparatus of the present embodiment, a basic configuration of a surface conduction element which is a main object of the electron trajectory calculation of the present embodiment will be described with reference to FIG. .

【0024】図3は本実施の形態の表面伝導型放出素子
の平面図(A)とその断面図(B)である。
FIG. 3 is a plan view (A) and a cross-sectional view (B) of the surface conduction electron-emitting device of this embodiment.

【0025】図3において、101は基板、102,1
03は素子電極(102は負極、103は正極)であっ
て、これら素子電極102,103の間には薄膜104
が配置されている。この薄膜104には、通電フォーミ
ング処理により形成された亀裂を有する電子放出部10
5が設けられている。
In FIG. 3, reference numeral 101 denotes a substrate;
03 is an element electrode (102 is a negative electrode, 103 is a positive electrode), and a thin film 104 is interposed between these element electrodes 102 and 103.
Is arranged. This thin film 104 has an electron emitting portion 10 having a crack formed by an energization forming process.
5 are provided.

【0026】ここでは基板101として、石英ガラス,
Na等の不純物含有量を減少したガラス,青板ガラス,
青板ガラスにスパッタ法等により形成したSiO2を積
層したガラス基板等及びアルミナ等のセラミックス等が
あげられる。素子電極102,103の材料としては導
電性を有するものであればどのようなものであっても構
わず、例えばNi,Cr.Au,Mo,W,Pt,T
i,Al,Cu,Pd等の金属或は合金及びPd,A
g,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の印刷導体、In2O3−S
nO2等の透明導電体及びポリシリコン等の半導体導体
材料等が挙げられる。
Here, quartz glass,
Glass with reduced impurities such as Na, blue plate glass,
A glass substrate obtained by laminating SiO2 formed on a blue sheet glass by a sputtering method or the like, ceramics such as alumina, and the like can be given. The material of the device electrodes 102 and 103 may be any material as long as it has conductivity. For example, Ni, Cr. Au, Mo, W, Pt, T
metal or alloy such as i, Al, Cu, Pd and Pd, A
g, Au, RuO2, Pd-Ag or other metal or metal oxide and printed conductor made of glass, etc., In2O3-S
Examples include a transparent conductor such as nO2 and a semiconductor conductor material such as polysilicon.

【0027】素子電極間隔Lは、数百オングストローム
より数百マイクロメートルである。この値は、素子電極
の製法の基本となるフォトリソグラフィ技術、即ち、露
光機の性能とエッチング方法等、及び素子電極間に印加
する電圧と電子放出し得る電界強度等により設定される
が、好ましくは、数マイクロメートルより数十マイクロ
メートルである。素子電極幅W、素子電極102,10
3の膜厚Dは、電極の抵抗値その他により適宜設計さ
れ、通常は、素子電極間長さLは、数マイクロメートル
より数百マイクロメートルであり、素子電極102,1
03の膜厚Dは、数百オングストロームより数マイクロ
メートルである。また、素子電極102の幅Wは数百ナ
ノメータから数百ミクロンの程度であり、素子電圧、加
速電圧、加速電極までの距離等のパラメータに関連して
は適宜決められる。
The element electrode interval L is from several hundred angstroms to several hundred micrometers. This value is set based on the photolithography technology that is the basis of the method for manufacturing the device electrodes, that is, the performance of the exposure machine and the etching method, etc., and the voltage applied between the device electrodes and the electric field intensity capable of emitting electrons, etc., are preferably set. Is tens of micrometers rather than a few micrometers. Device electrode width W, device electrodes 102 and 10
3, the film thickness D is appropriately designed depending on the resistance value of the electrodes and the like. Normally, the length L between the device electrodes is several micrometers to several hundred micrometers, and the device electrodes 102, 1
The film thickness D of No. 03 is several hundred angstroms to several micrometers. The width W of the device electrode 102 is on the order of hundreds of nanometers to hundreds of microns, and is appropriately determined in relation to parameters such as device voltage, acceleration voltage, and distance to the acceleration electrode.

【0028】また、電子放出部を含む薄膜104の膜厚
は、好ましくは数オングストロームより数千オングスト
ロームで、特に好ましくは10オングストローム乃至5
00オングストロームであり、素子電極102,103
へのステップカバレージ、素子電極102,103間の
抵抗値及び電子放出部105の導電性は後述する通電処
理条件等によって適宜設定される。この薄膜104の抵
抗値は、10の3乗乃至10の7乗[Ω/□]のシート
抵抗値を示す。電子放出部を含む薄膜104を構成する
材料の具体例を挙げると、Pd,Ru,Ag,Au,T
i,In,Cu,Cr,Fe,Zn,Sn,Ta,W,
Pbなどの金属や、PdO,SnO2,In2O3,Pb
O,Sb2O3などの酸化物や、HfB2,ZrB2,La
B6,CeB6,YB4,GdB4などの硼化物、TiC,
ZrC,HfC,TaC,SiC,WC等の炭化物、T
iN,ZrN,HfNなどの窒化物、Si,Geなどの
半導体、カーボンなどがある。なお、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
構造として、微粒子が個々に分散配置した状態のみなら
ず、微粒子が互いに隣接、あるいは重なり合った状態
(島状も含む)の膜をさす。この微粒子径は、数オング
ストロームより数千オングストローム、好ましくは、1
0オングストロームより200オングストロームであ
る。電子放出部105は、好ましくは、数オングストロ
ームより数百オングストローム、特に好ましくは、10
オングストロームより500オングストロームの粒径の
導電性微粒子多数個からなり、この電子放出部105を
含む薄膜104の膜厚及び後述する通電処理条件等の製
法に依存しており、適宜設定される。
The thickness of the thin film 104 including the electron-emitting portion is preferably from several Angstroms to several thousand Angstroms, and particularly preferably from 10 Angstroms to 5 Angstroms.
00 angstrom and the device electrodes 102 and 103
Step coverage, the resistance value between the device electrodes 102 and 103, and the conductivity of the electron emission portion 105 are appropriately set according to the energization processing conditions described later and the like. The resistance value of the thin film 104 indicates a sheet resistance value of 10 3 to 10 7 [Ω / □]. Specific examples of the material forming the thin film 104 including the electron emitting portion include Pd, Ru, Ag, Au, T
i, In, Cu, Cr, Fe, Zn, Sn, Ta, W,
Metals such as Pb, PdO, SnO2, In2O3, Pb
Oxides such as O, Sb2O3, HfB2, ZrB2, La
Borides such as B6, CeB6, YB4, GdB4, TiC,
Carbides such as ZrC, HfC, TaC, SiC, WC, T
There are nitrides such as iN, ZrN and HfN, semiconductors such as Si and Ge, and carbon. Note that the fine particle film described here is a film in which a plurality of fine particles are aggregated, and has a fine structure not only in a state in which the fine particles are individually dispersed and arranged, but also in a state in which the fine particles are adjacent to each other or overlapped (island shape). Inclusive). The particle size may be from several Angstroms to several thousand Angstroms, preferably 1
It is 200 angstroms from 0 angstroms. The electron-emitting portion 105 is preferably a few Å to a few hundred Å, particularly preferably 10 Å.
It is made up of a number of conductive fine particles having a particle size of 500 angstrom to 500 angstrom. The thickness depends on the manufacturing method such as the thickness of the thin film 104 including the electron emitting portion 105 and the energization processing conditions described later, and is set as appropriate.

【0029】このような電子放出部105を有する電子
放出素子の製造方法としては様々な方法が考えられる。
その一例を図4に示す。
Various methods can be considered as a method for manufacturing the electron-emitting device having the electron-emitting portion 105.
An example is shown in FIG.

【0030】図4は、本実施の形態の表面伝導型放出素
子の製造工程を説明するための断面図である。なお、図
4において、図3と共通する部分は同じ番号で示し、そ
の説明を省略する。
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the surface conduction electron-emitting device of the present embodiment. In FIG. 4, portions common to FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

【0031】(1)基板101を洗剤、純水および有機
溶剤により十分に洗浄した後、真空蒸着法、スパッタ法
等により素子電極102,103の材料を堆積後、フォ
トリソグラフィ技術により。この絶縁性基板101上に
素子電極102,103を形成する(図4(a))。
(1) After sufficiently washing the substrate 101 with a detergent, pure water and an organic solvent, the materials of the device electrodes 102 and 103 are deposited by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like, and then by photolithography. Device electrodes 102 and 103 are formed on the insulating substrate 101 (FIG. 4A).

【0032】(2)絶縁性基板101上に設けられた素
子電極102と素子電極103との間に有機金属溶液を
塗布して放置することにより、有機金属薄膜(導電性薄
膜)104を形成する。なお、この有機金属溶液とは、
前述のPd,Ru,Ag,Au,Ti,In,Cu,C
r,Fe,Zn,Sn,Ta,W,Pb等の金属を主元
素とする有機化合物の溶液である。この後、有機金属薄
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、電子放出部形成用薄膜104を形成す
る(図4(b))。なおここでは、有機金属溶液の塗布
法により説明したが本発明はこれに限るものでなく、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、スピンナー法等によって形成して
も良い。
(2) An organic metal thin film (conductive thin film) 104 is formed by applying an organic metal solution between the device electrode 102 and the device electrode 103 provided on the insulating substrate 101 and leaving it to stand. . In addition, this organometallic solution is
The aforementioned Pd, Ru, Ag, Au, Ti, In, Cu, C
This is a solution of an organic compound containing a metal such as r, Fe, Zn, Sn, Ta, W, and Pb as a main element. Thereafter, the organic metal thin film is heated and baked, and is patterned by lift-off, etching, or the like to form the electron-emitting-portion-forming thin film 104 (FIG. 4B). Although the present invention has been described with reference to the method of applying an organic metal solution, the present invention is not limited to this, and is formed by a vacuum evaporation method, a sputtering method, a chemical vapor deposition method, a dispersion coating method, a dipping method, a spinner method, or the like. You may.

【0033】(3)続いて、通電フォーミングと呼ばれ
る通電処理を素子電極102,103間に対して行う。
これは、不図示の電源によりパルス状の電圧あるいは昇
電圧を印加して通電する通電処理であり、この結果、電
子放出部形成用薄膜104の部位に構造変化した電子放
出部105が形成される(図4(c))。この通電処理
により電子放出部形成用薄膜104が局所的に破壊、変
形もしくは変質される。この構造の変化した部位を電子
放出部105と呼ぶ。
(3) Subsequently, an energization process called energization forming is performed between the device electrodes 102 and 103.
This is an energization process in which a pulsed voltage or a rising voltage is applied by a power supply (not shown) to energize, and as a result, an electron emitting portion 105 having a structural change is formed at the portion of the electron emitting portion forming thin film 104. (FIG. 4 (c)). The electron emission portion forming thin film 104 is locally destroyed, deformed, or deteriorated by the energization process. The part where the structure has changed is referred to as an electron emitting part 105.

【0034】こうして通電フォーミング処理された電子
放出素子の評価を、図5に示す評価装置により行なう。
以下にこの評価装置を説明する。
The evaluation of the electron-emitting device subjected to the energization forming process is performed by the evaluation device shown in FIG.
The evaluation device will be described below.

【0035】図5は、本実施の形態の表面伝導型放出素
子の特性を測定する評価装置の構成を示すブロック図で
ある。尚、前述の構成と共通する部分は同じ番号で示
し、その説明を省略する。
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of an evaluation device for measuring the characteristics of the surface conduction electron-emitting device of the present embodiment. Note that the same parts as those in the above-described configuration are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

【0036】図5において、151は素子電極102,
103の間に素子電圧Vfを印加するための電源、15
0は電流計で、素子電圧Vfが印加された素子電極10
2,103の間を流れる素子電流Ifを測定している。
153はアノード電極(加速電極)154に加速電圧
(Va)を印加するための電源である。152は電流計
で、素子の電子放出部105より放出される放出電流I
eを測定している。さらに必要に応じて、電子の到達位
置の分布を測定できるように、メッシュ状の電極あるい
は蛍光板がアノード電極154に取り付けられている。
尚、排気ポンプ156は容器155内を真空に排気する
ためのポンプで、ターボポンプ、ロータリーポンプ等
の、通常の高真空装置系と、更に、イオンポンプからな
る超高真空装置を備えている。また、真空装置全体及び
電子放出素子基板101は、不図示のヒータにより約2
00度まで加熱できる。なお、アノード電極154の電
圧は1kV〜10kV、このアノード電極154と電子
放出素子の電子放出部105との間の距離Hは、2mm
〜8mmの範囲で測定した。
In FIG. 5, reference numeral 151 denotes an element electrode 102,
A power supply for applying the element voltage Vf during 103;
Reference numeral 0 denotes an ammeter, which is an element electrode 10 to which an element voltage Vf is applied.
The element current If flowing between 2 and 103 is measured.
153 is a power supply for applying an acceleration voltage (Va) to the anode electrode (acceleration electrode) 154. Reference numeral 152 denotes an ammeter, which is an emission current I emitted from the electron emission portion 105 of the device.
e is being measured. Further, if necessary, a mesh-shaped electrode or a fluorescent plate is attached to the anode electrode 154 so that the distribution of the arrival positions of the electrons can be measured.
The exhaust pump 156 is a pump for evacuating the inside of the container 155 to a vacuum, and includes a normal high vacuum device system such as a turbo pump and a rotary pump, and an ultrahigh vacuum device including an ion pump. Further, the entire vacuum apparatus and the electron-emitting device substrate 101 are heated for about 2
Can be heated up to 00 degrees. Note that the voltage of the anode electrode 154 is 1 kV to 10 kV, and the distance H between the anode electrode 154 and the electron-emitting portion 105 of the electron-emitting device is 2 mm.
It was measured in a range of 88 mm.

【0037】ここで、通電フォーミング処理は、素子電
極102,103の間に印加する電圧パルスの波高値を
一定に保つ場合と、素子電極102、103の間に印加
する電圧パルスの波高値を増加させながら行う場合があ
る。まず、電圧パルスの波高値を一定に保つ場合の電圧
波形の例を図6(a)に示す。
Here, in the energization forming process, the crest value of the voltage pulse applied between the device electrodes 102 and 103 is kept constant, and the crest value of the voltage pulse applied between the device electrodes 102 and 103 is increased. There are times when you do it. First, an example of a voltage waveform when the peak value of the voltage pulse is kept constant is shown in FIG.

【0038】図6(a)において、T1及びT2のそれ
ぞれは電圧波形のパルス幅とパルス間隔を示し、T1は
1マイクロ秒〜10ミリ秒、T2は10マイクロ秒〜1
00ミリ秒とした。また、三角波の波高値(フォーミン
グ時のピーク電圧)は適宜選択し、10の−5乗[tor
r]程度の真空雰囲気下で印加した。
In FIG. 6A, each of T1 and T2 indicates the pulse width and pulse interval of the voltage waveform, T1 is 1 microsecond to 10 milliseconds, and T2 is 10 microseconds to 1 microsecond.
00 ms. The peak value of the triangular wave (peak voltage at the time of forming) is appropriately selected, and 10 −5 [torr]
r] in a vacuum atmosphere.

【0039】図6(b)は、電圧パルスの波高値を増加
させながら通電フォーミングする場合の電圧波形を示し
ている。
FIG. 6B shows a voltage waveform when energization forming is performed while increasing the peak value of the voltage pulse.

【0040】図において、T1及びT2のそれぞれは電
圧波形のパルス幅とパルス間隔を示し、T1を1マイク
ロ秒〜10ミリ秒、T2を10マイクロ秒〜100ミリ
秒とし、三角波の波高値(フォーミング時のピーク電
圧)は、例えば0.1[V]ステップ程度ずつ増加させ
た。なお、フォーミング中の真空雰囲気は10の−5乗
[torr]程度に保った。
In the drawing, each of T1 and T2 indicates the pulse width and pulse interval of the voltage waveform, T1 is 1 microsecond to 10 milliseconds, T2 is 10 microseconds to 100 milliseconds, and the peak value of the triangular wave (forming). The peak voltage at the time was increased by, for example, about 0.1 [V] step. The vacuum atmosphere during the forming was maintained at about 10 −5 [torr].

【0041】この通電フォーミング処理の終了は、パル
ス間隔T2の間に電子放出部形成用薄膜104が局所的
に破壊、変形しない程度の電圧、例えば0.1V程度の
電圧を印加して、そのときの素子電流を測定して抵抗値
を求め、例えば、その抵抗値が1Mオーム以上の抵抗を
示した時にフォーミング終了と判断した。このフォーミ
ング終了時の電圧を通電フォーミング電圧Vformと呼ぶ
ことにする。
The energization forming process is completed by applying a voltage that does not cause local destruction or deformation of the electron emitting portion forming thin film 104 during the pulse interval T2, for example, a voltage of about 0.1 V. The element current was measured to obtain a resistance value. For example, when the resistance value showed a resistance of 1 M ohm or more, it was determined that the forming was completed. The voltage at the end of the forming is referred to as the energized forming voltage Vform.

【0042】以上説明したように、通電フォーミング処
理は素子の電極間に三角波パルスを印加して行っている
が、この印加する波形は三角波に限定することはなく、
矩形波などの波形を用いても良く、その波高値及びパル
ス幅・パルス間隔等についても上述の値に限定されるも
のでなく、電子放出部が良好に形成される様に電子放出
部形成用薄膜の抵抗値等にあわせて所望の値を選択すれ
ばよい。
As described above, the energization forming process is performed by applying a triangular wave pulse between the electrodes of the element, but the waveform to be applied is not limited to a triangular wave.
A waveform such as a rectangular wave may be used, and the peak value, pulse width, pulse interval, and the like are not limited to the values described above. A desired value may be selected according to the resistance value of the thin film or the like.

【0043】(4)次に、この通電フォーミング終了し
た素子に通電活性化処理と呼ぶ処理を施す。この通電活
性化処理とは、10の−4乗〜10の−5乗[torr]程
度の真空で、前述の通電フォーミング処理と同様に、電
圧パルスの波高値が一定のパルスを繰返し印加する処理
のことをいう。これにより真空中に存在する有機物質か
ら炭素及び炭素化合物を電子放出部105に堆積させる
ことにより、素子電流If、放出電流Ieを著しく変化さ
せる処理である。この処理は、素子電流Ifと放出電流
Ieを測定しながら、例えば、放出電流Ieが飽和した時
点で活性化処理を終了する。活性化処理の進行の程度
は、真空度、素子に印加するパルス電圧等に依存してい
る。この処理によって、通電フォーミング処理によって
変形、変質した薄膜の近傍の被膜の形成状態が変化す
る。
(4) Next, the element which has been subjected to the energization forming is subjected to a processing called energization activation processing. The energization activation process is a process of repeatedly applying a pulse having a constant peak value of a voltage pulse in a vacuum of about 10 −4 to 10 −5 [torr], similarly to the above-described energization forming processing. Means This is a process of remarkably changing the device current If and the emission current Ie by depositing carbon and a carbon compound from the organic substance existing in the vacuum on the electron emission portion 105. In this process, the activation process ends when the emission current Ie is saturated, for example, while measuring the element current If and the emission current Ie. The degree of progress of the activation process depends on the degree of vacuum, the pulse voltage applied to the element, and the like. This process changes the state of formation of the film near the thin film that has been deformed and altered by the energization forming process.

【0044】(5)こうして作製した電子放出素子を活
性化処理した真空度より高い真空度の真空雰囲気にして
駆動する。また活性化処理した真空度より高い真空度の
真空雰囲気とは、約10の−6乗[torr]以上の真空度
を有する真空であり、より好ましくは超高真空であり、
これ以降の表示駆動等によって素子電極間に通電が行わ
れても、その電子放出部近傍に新たに炭素、及び炭素化
合物がほとんど堆積しない真空度である。これによっ
て、これ以上の炭素及び炭素化合物の堆積を抑制するこ
とが可能となり、素子電流If,放出電流Ieが一定に安
定して状態で使用することができる。
(5) The thus-produced electron-emitting device is driven in a vacuum atmosphere having a degree of vacuum higher than that of the activation processing. The vacuum atmosphere having a degree of vacuum higher than the degree of vacuum subjected to the activation treatment is a vacuum having a degree of vacuum of about 10 −6 [torr] or more, more preferably an ultra-high vacuum,
This is a degree of vacuum at which carbon and carbon compounds hardly newly accumulate near the electron-emitting portion even if current is applied between the device electrodes by display driving or the like thereafter. This makes it possible to suppress further deposition of carbon and carbon compounds, and the device can be used in a state where the device current If and the emission current Ie are constant and stable.

【0045】図7は、このようにして作成された表面伝
導型放出素子の電子放出特性を示すグラフ図である。
FIG. 7 is a graph showing the electron emission characteristics of the surface conduction electron-emitting device manufactured as described above.

【0046】この図から明らかなように、素子電圧Vf
が閾値電圧Vthを越えると素子電流Ifが流れはじめ、
それに伴なって放出電流Ieも増加することが分かる。
As is apparent from FIG.
Exceeds the threshold voltage Vth, the element current If starts to flow,
It can be seen that the emission current Ie increases accordingly.

【0047】このような表面伝導型放出素子と加速電極
を備える系の電位分布は、表面伝導型放出素子の電子放
出部105にほぼ垂直な平面で眺めると図8の模式図で
示すようになり、次のような2次元電界で近似的に表現
できる。
The potential distribution of a system including such a surface conduction electron-emitting device and an accelerating electrode is as shown in the schematic diagram of FIG. 8 when viewed on a plane substantially perpendicular to the electron emission portion 105 of the surface conduction electron-emitting device. , Can be approximately expressed by the following two-dimensional electric field.

【0048】[0048]

【数1】 (Equation 1)

【0049】この数式(1)において、dは電子放出部
(亀裂)105の実効的な幅に相当している。また図8
の陽極103に沿った横軸をx軸とし、このx軸に垂直
な加速電極に向かう方向をz軸としている。図8は、こ
の電界を積分した等電位面を描いている。図8に示すよ
うに、電場が淀む点700(このx座標をxSとす
る)、即ち、電界ゼロの点は、電子放出部105の中心
から計測して、次の関係式を満たす位置にある。
In the equation (1), d corresponds to the effective width of the electron emitting portion (crack) 105. FIG.
The horizontal axis along the anode 103 is the x-axis, and the direction toward the acceleration electrode perpendicular to the x-axis is the z-axis. FIG. 8 illustrates an equipotential surface obtained by integrating this electric field. As shown in FIG. 8, a point 700 at which the electric field stagnates (the x coordinate is xS), that is, a point where the electric field is zero is located at a position satisfying the following relational expression, measured from the center of the electron emission unit 105. .

【0050】[0050]

【数2】 (Equation 2)

【0051】この数式(2)において、二番日の近似等
号はVf/d≫Va/Hの場合(表面伝導型放出素子を用
いた表示パネル等では十分成立する)に成立する式であ
る。このx座標(xS)で表される位置を淀み点と呼
ぶ。
In this equation (2), the approximation equal to the second day is an equation that holds when Vf / d≫Va / H (sufficiently holds for a display panel using a surface conduction electron-emitting device). . The position represented by the x coordinate (xS) is called a stagnation point.

【0052】本実施の形態の表面伝導型放出素子の電界
分布、および、電子軌道計算によると、おおよそ次のこ
とが起こっていることが明らかになった。 (A)何らかの原因で、表面伝導型放出素子の電子放出
部(亀裂)近傍の陽極103の先端付近から電子が真空
中に放出される。 (B)こうして放出された電子は、陰極102と陽極1
03とアノード電極154で形成される電場内を運動
し、アノード電極154による電場が支配的になった所
まで到達した電子は、アノード電極154の電場によっ
てアノード電極154側に移動する。 (C)アノード電極154による電場が支配的でない領
域においては、陰極102と陽極103の作る放射状の
電場によって電子は再び陽極103(薄膜104)上に
落下し、一部は陽極103に吸収され(電子が負の極性
を有しているため)、他の電子の一部はここで散乱され
て向きを変えられ、再び、真空中へ放出される。このよ
うにアノード電極154からの電場が支配的でない領域
の電子は陽極103に衝突した際に吸収されるか、また
は、加速電極154による電場が支配的となる領域に脱
出できるまでこの散乱を繰り返す。この際、陽極103
に吸収されず、アノード電極154の電界の支配的な領
域にまで到達できた電子はアノード電極154に引きつ
けられてそこに到達する。
According to the electric field distribution and the electron trajectory calculation of the surface conduction electron-emitting device of the present embodiment, it has become clear that the following has occurred. (A) For some reason, electrons are emitted into the vacuum from the vicinity of the tip of the anode 103 near the electron emission portion (crack) of the surface conduction electron-emitting device. (B) The electrons thus emitted consist of the cathode 102 and the anode 1
The electron that moves in the electric field formed by the anode electrode 154 and the anode electrode 154 moves to the anode electrode 154 side due to the electric field of the anode electrode 154. (C) In a region where the electric field generated by the anode electrode 154 is not dominant, electrons fall again on the anode 103 (the thin film 104) due to the radial electric field generated by the cathode 102 and the anode 103, and a part is absorbed by the anode 103 ( Some of the other electrons are now scattered and redirected (because the electrons have a negative polarity) and are again released into the vacuum. As described above, the electrons in the region where the electric field from the anode electrode 154 is not dominant are absorbed when the electrons collide with the anode 103, or this scattering is repeated until the electrons can escape to the region where the electric field by the accelerating electrode 154 becomes dominant. . At this time, the anode 103
The electrons that have not been absorbed by the electrodes and have reached the region where the electric field of the anode electrode 154 is dominant are attracted to the anode electrode 154 and reach there.

【0053】また、本実施の形態の表面伝導型放出素子
では、電子の放出が行われる際、電子のエネルギーが1
0数[eV]という電子放出素子としては非常に小さい運
動エネルギーを持っている。そのため、電子の量子力学
的な波長が0.4[nm]と大きくなり、電子は(1体
の)量子力学的な効果に支配されていると考えられる。
そのため、電子は陽極102の表面ですべて吸収される
ことがなく、その数割が(後方)散乱されて真空中へ再
放出(乱反射)されている。また、電子の波長が0.4
[nm]程度であるので、電子は陽極103の表面の原子
構造を区別できないまま散乱していると考えられる。つ
まり電子にとって、陽極103の表面が充分滑らかに見
えていると考えて良い。従って、電子は(1体の)量子
力学的な効果によって弾性散乱しているとみなすことが
できる。更に、真空中を透過する場合、他との相互作用
もないので、古典的な荷電粒子とみなしても問題はない
と思われる。また、アノード電極154の電位が1[K
V]程度であるので、電子の速度は光速の2[%]程度と
小さく相対論的効果は無視して良い。
Further, in the surface conduction electron-emitting device of the present embodiment, when the electron is emitted, the energy of the electron is 1 unit.
The electron-emitting device has a very small kinetic energy of 0 [eV]. Therefore, the quantum mechanical wavelength of the electron becomes as large as 0.4 [nm], and it is considered that the electron is governed by the (one) quantum mechanical effect.
Therefore, all the electrons are not absorbed by the surface of the anode 102, and some of the electrons are scattered (backward) and re-emitted into the vacuum (diffuse reflection). The electron wavelength is 0.4
Since it is about [nm], it is considered that electrons are scattered without distinguishing the atomic structure on the surface of the anode 103. That is, it can be considered that the surface of the anode 103 looks sufficiently smooth for electrons. Therefore, the electrons can be considered to be elastically scattered due to (one) quantum mechanical effect. Furthermore, when transmitted through a vacuum, there is no interaction with others, so it seems that there is no problem even if it is regarded as a classical charged particle. The potential of the anode electrode 154 is 1 [K
V], the electron velocity is as small as about 2% of the speed of light, and the relativistic effect can be ignored.

【0054】また、陽極103上に衝突した電子の内、
(後方)弾性散乱されなかった電子は陽極103の表面
近傍で、電子、音子等と相互作用を起こしてエネルギー
を失い、その一部が吸収され、それ以外は非弾性散乱電
子として再び真空中へ再放出される。但し、この非弾性
散乱電子は、以下で述べる(古典的な)電子軌道計算の
性質から無視できると考えられる。つまり、以下で述べ
るように、電子の軌道が電子の運動エネルギーに対して
指数的にそのスケーリング定数を変化させるため、もし
もエネルギーを失えば、その電子はそのエネルギーに応
じて散乱回数が急激に増え、電子の大部分は陽極103
に吸収されると思われるので無視して良いと考える。
Also, of the electrons that collided on the anode 103,
(Backward) The electrons that have not been elastically scattered interact with electrons, phonons, etc. in the vicinity of the surface of the anode 103 and lose energy, a part of which is absorbed, and the rest is converted into inelastic scattered electrons again in vacuum. To be released again. However, this inelastic scattered electron is considered to be negligible from the property of (classical) electron orbit calculation described below. In other words, as described below, the trajectory of an electron changes its scaling constant exponentially with respect to the kinetic energy of the electron, so if the energy is lost, the number of scattering of the electron will increase sharply according to the energy. The majority of the electrons are the anode 103
It can be ignored because it seems to be absorbed by

【0055】他方、アノード電極154に衝突した電子
は、1000[eV]程度のエネルギーを持っているた
め、ほとんどがそのまま吸収され、反射散乱されるもの
は無視できる。実際、このような物理系を画像形成装置
に応用する際には、アノード電極154に蛍光体を配置
して発光させることになる。従って、アノード電極15
4の境界では、電子軌道計算装置の模擬電子は散乱を行
わない非散乱境界としている。
On the other hand, electrons that have collided with the anode electrode 154 have energy of about 1000 [eV], so that most of them are absorbed as they are, and those that are reflected and scattered can be ignored. In fact, when such a physical system is applied to an image forming apparatus, a phosphor is arranged on the anode electrode 154 to emit light. Therefore, the anode electrode 15
At the boundary of No. 4, the simulated electron of the electron orbit calculation device is a non-scattering boundary where scattering is not performed.

【0056】本実施の形態の電子軌道計算装置は、この
ような物理的特徴を持った系に対して適応される。
The electron trajectory calculation device of the present embodiment is applied to a system having such physical characteristics.

【0057】再び、本実施の形態の電子軌道計算装置に
ついて説明する。上記のような表面伝導型放出素子に対
して仮想電子放出系を想定する。
The electron trajectory calculation device of the present embodiment will be described again. A virtual electron emission system is assumed for the surface conduction type emission device as described above.

【0058】図9は、この計算装置において電子放出が
行われる系を模式的に示す図である。
FIG. 9 is a diagram schematically showing a system in which electron emission is performed in this computer.

【0059】図において、11,12,13は仮想電子
放出素子の、夫々仮想陰極11、仮想陽極12及び電子
放出部13を示している。14は仮想加速(アノード)
電極である。この仮想電子放出素子では、陰極部11と
陽極部12の間に電子放出(亀裂)部13が存在してい
る。ここで、加速電極14の電位をVa[V]、陰極12
の電位を0[V]、陽極13の電位をVf[V]としてい
る。また、仮想電子放出素子と仮想加速電極14との間
の距離はHとしている。尚これらは、上記で述べたそれ
ぞれの物理量と対応しているので、同一の記号を使用す
る。また、両電極11,12と電子放出部13は、2次
元平面にあるとし、各電極の境界部からの影響はないと
仮定する。また電子放出部13は直線形状をしているた
め、対称性の点から、この物理模型の物理的次元は基本
的に2次元である。また、電子放出部13における亀裂
の幅は限りなく“0”に近いものとし、以下静電学的
に、その大きさを無視する。更に、仮想加速電極14と
仮想電子放出部13との間の距離は、現在関心のある距
離と比較して十分長いと仮定している。これらの仮定は
後述する表面伝導型放出素子を使った電子放出装置の実
際の配置、形状等によって正当化される。
In the figure, reference numerals 11, 12, and 13 denote a virtual cathode 11, a virtual anode 12, and an electron emitting portion 13, respectively, of the virtual electron emitting device. 14 is virtual acceleration (anode)
Electrodes. In this virtual electron emission device, an electron emission (crack) portion 13 exists between the cathode portion 11 and the anode portion 12. Here, the potential of the accelerating electrode 14 is Va [V],
Is 0 [V], and the potential of the anode 13 is Vf [V]. The distance between the virtual electron-emitting device and the virtual acceleration electrode 14 is H. Since these correspond to the respective physical quantities described above, the same symbols are used. Further, it is assumed that the electrodes 11, 12 and the electron emitting portion 13 are on a two-dimensional plane, and that there is no influence from the boundary between the electrodes. Further, since the electron emitting portion 13 has a linear shape, the physical dimension of this physical model is basically two-dimensional in terms of symmetry. In addition, the width of the crack in the electron-emitting portion 13 is assumed to be as close as possible to "0", and its size is ignored electrostatically below. Further, it is assumed that the distance between the virtual acceleration electrode 14 and the virtual electron emission unit 13 is sufficiently long as compared with the current distance of interest. These assumptions are justified by the actual arrangement, shape, and the like of an electron-emitting device using a surface conduction electron-emitting device described later.

【0060】このような形状を持った仮想電子放出装置
の電界分布は、電子放出部13に垂直な平面内で仮想電
子放出素子の陽極12上をx面として、このx面に直行
する軸をzとする。そして、これらの座標の原点を電子
放出部13にとると、
The electric field distribution of the virtual electron-emitting device having such a shape is such that an axis perpendicular to the x-plane is defined as an x-plane on the anode 12 of the virtual electron-emitting device in a plane perpendicular to the electron-emitting section 13. z. Then, when the origin of these coordinates is taken to the electron emission unit 13,

【0061】[0061]

【数3】 (Equation 3)

【0062】で与えられる(図10参照)。これは上記
数式(1)で、dを無視したもの(d=0)となってい
る。また、この電界分布のなかで、前述した電界が淀む
点700、即ち、電界がゼロとなる点である淀み点のx
座標(xS)は正確に、
(See FIG. 10). This is obtained by ignoring d in the above equation (1) (d = 0). In this electric field distribution, the above-mentioned electric field stagnation point 700, that is, x of the stagnation point where the electric field becomes zero,
The coordinates (xS) are exactly

【0063】[0063]

【数4】 (Equation 4)

【0064】となる。この値は、静電学的には物理模型
の仮想電子放出素子において、唯一の長さの次元を持っ
た量となる。
Is obtained. This value is an amount having a dimension of only one length in a virtual electron emission element of a physical model electrostatically.

【0065】従って、この座標値xSが発散するVa=0
の点では、静電学的には系に特徴的な長さが存在しない
ことになる。即ち、系は相似対称、または共形的な対称
性を持つこととなる。
Accordingly, Va = 0 at which the coordinate value xS diverges.
In this regard, there is no characteristic length in the system electrostatically. That is, the system has a similar symmetry or a conformal symmetry.

【0066】このような理想化した仮想電子放出素子に
おいて、Va>0の場合の電子の軌道は、図10に示さ
れるように、多重散乱を繰り返し、加速電極14に到達
するか、或は仮想電子放出素子の陽極12に吸収され
る。このような計算は、モンテカルロによる等方散乱及
び吸収の効果を取り入れることによって計算できる。
In such an idealized virtual electron-emitting device, the electron trajectory when Va> 0, as shown in FIG. 10, repeats multiple scattering to reach the accelerating electrode 14, or The light is absorbed by the anode 12 of the electron-emitting device. Such calculations can be made by incorporating the effects of isotropic scattering and absorption by Monte Carlo.

【0067】しかしながら、本実施の形態ではこの計算
を更に簡略化し、計算時間の短縮と計算コストを下げる
ことを目的とする。
However, the purpose of this embodiment is to further simplify the calculation, to reduce the calculation time and the calculation cost.

【0068】まず、このVa=0での電子の振舞いを考
察し、その際の電子の落下(着地)点分布を導出する。
表面伝導型放出素子の物理的模型として、電子の放出位
置を仮想電子放出素子の陽極12の先端近傍、即ち、太
さのない電子放出部13からd/2離れた地点から等方
射出すると仮定する。これは、太さのある電子放出部1
3の効果を実効的に採り入れるためのものである(Va
=0での多重散乱を仮定した電子の軌道を図11に示し
た)。この仮定は実験値との解析の下で評価される。
First, the behavior of the electrons at Va = 0 is considered, and the distribution of the falling (landing) points of the electrons at that time is derived.
As a physical model of the surface conduction electron-emitting device, it is assumed that the electron emission position is isotropically emitted from the vicinity of the tip of the anode 12 of the virtual electron-emitting device, that is, from a point d / 2 away from the electron emission portion 13 having no thickness. I do. This is a thick electron emission part 1
(Va)
The electron trajectory assuming multiple scattering at = 0 is shown in FIG. 11). This assumption is evaluated under analysis with experimental values.

【0069】いま、一般的に仮想電子素子の陽極12の
表面のある位置x0で等方的に射出した電子を考える。
個々の電子の軌道は、
Now, let us consider an electron isotropically emitted at a certain position x0 on the surface of the anode 12 of the virtual electronic element.
The orbit of each electron is

【0070】[0070]

【数5】 (Equation 5)

【0071】で与えられるニュートン方程式に従う。
尚、この数式(5)において、meは電子の質量、eは
電子のもつ電荷を表している。
According to the Newton equation given by
In the equation (5), me represents the mass of an electron, and e represents the charge of the electron.

【0072】このとき、等方射出を仮定すると、仮想電
子の着地点分布のy方向に積分した分布f(x)は、図1
2及び図13に示すように与えられ、ほぼ次の式で与え
られる。
At this time, assuming isotropic emission, the distribution f (x) of the landing point distribution of the virtual electrons integrated in the y direction is shown in FIG.
2 and as shown in FIG.

【0073】[0073]

【数6】 (Equation 6)

【0074】これを再び着地点分布と呼ぶ。ここでNは
規格化定数で、f(x)を全領域で積分したものが“1”
となるようにしてある。g(x)は図12に示す。図12
は、位置xと分布に関して線形に、図13は位置xと分
布に対して共に対数的に示している。図12或は前述の
数式(6)から明らかなように、Cx0>x>x0におい
ては、分布関数は略1/xに比例することが大きな特徴
である。Cは、仮想電子の初期エネルギーに依存し変化
する。このCの値については後で言及する。
This is again called a landing point distribution. Here, N is a normalized constant, and f (x) integrated over the entire area is "1".
It is made to become. g (x) is shown in FIG. FIG.
Is linear for position x and distribution, and FIG. 13 is logarithmic for both position x and distribution. As is clear from FIG. 12 or the aforementioned equation (6), when Cx0>x> x0, a significant feature is that the distribution function is substantially proportional to 1 / x. C changes depending on the initial energy of virtual electrons. The value of C will be described later.

【0075】系に特徴的な長さの次元が存在しないため
に、電子の着地点分布は、射出位置の何倍かのスケール
性のみに依存する。分布の測度dxを考慮し、この積構
造を採り入れるために、
Since there is no characteristic length dimension in the system, the distribution of landing points of electrons depends only on the scale of several times the emission position. In order to take this product structure into account, taking into account the distribution measure dx,

【0076】[0076]

【数7】 (Equation 7)

【0077】と座標変換すると、前述の分布関数f
(x,x0)は、
When the coordinate transformation is performed, the above distribution function f
(X, x0) is

【0078】[0078]

【数8】 (Equation 8)

【0079】と変換され、Is converted to

【0080】[0080]

【数9】 (Equation 9)

【0081】となる。この分布関数は、ξがξ0よりも
大きいところではスケール不変である。
Is obtained. This distribution function is scale invariant where ξ is greater than ξ0.

【0082】そこで、簡単にするために、本実施の形態
では、F(ξ)、f(x)を、
Therefore, for simplicity, in the present embodiment, F (F) and f (x) are

【0083】[0083]

【数10】 (Equation 10)

【0084】[0084]

【数11】 [Equation 11]

【0085】として、(ξ>ξ0(x>x0))のみを関数
として取り扱い、G(ξ)の効果は規格化定数のみで採り
入れる。但し、θ(x)はヘビサイド関数(ステップ関数
ともいう)で、
As a function, only (ξ> ξ0 (x> x0)) is treated as a function, and the effect of G (ξ) is taken only by the normalized constant. However, θ (x) is a Heaviside function (also called a step function),

【0086】[0086]

【数12】 (Equation 12)

【0087】と定義される関数である。Is a function defined as

【0088】このような着地点分布は、Va=0の時に
系に特徴的な長さが存在しないことから、射出点x0の
位置を決定すると、電子放出部13の中心からの距離に
応じた相似的になっている。そこで多重散乱の効果を考
える。即ち、仮想電子が仮想電子放出素子の陽極12に
落下したら確率的に弾性反射され、その散乱分布は、等
方的でかつ弾性散乱であると仮定する。ここで散乱の確
率をβとすると、最終的に、この陽極12に吸収される
べき電子の分布ftotal(x)は、
Since such a landing point distribution has no characteristic length in the system when Va = 0, when the position of the emission point x0 is determined, it depends on the distance from the center of the electron emission portion 13. It is similar. Therefore, consider the effect of multiple scattering. That is, it is assumed that when the virtual electrons fall on the anode 12 of the virtual electron-emitting device, they are stochastically elastically reflected and the scattering distribution is isotropic and elastically scattered. Here, assuming that the scattering probability is β, the distribution ftotal (x) of the electrons to be finally absorbed by the anode 12 is

【0089】[0089]

【数13】 (Equation 13)

【0090】但し、f0(x)は、始めの仮想電子の射出
分布を表し、
Here, f0 (x) represents the first virtual electron emission distribution,

【0091】[0091]

【数14】 [Equation 14]

【0092】としている。尚、この数式(14)におけ
るδはデルタ関数を示している。この数式(14)を全
着地点分布と呼ぶ。
[0092] In the expression (14), δ represents a delta function. This equation (14) is referred to as a total landing point distribution.

【0093】こうして得られた最終的な全着地点分布に
対して、Va≠0のときの効果を、次のようなアルゴリ
ズムで取り込む。即ち、陽極12の先端から距離d/2
の場所から射出された全電子に対して、加速電極14に
到達する電子の数の比ζは、電子放出部13より淀み点
(xS)の定数倍遠い所に落下した電子の数に相当する
と仮定する。
The effect obtained when Va ≠ 0 is taken into the final distribution of all landing points obtained in this manner by the following algorithm. That is, the distance d / 2 from the tip of the anode 12
The ratio の of the number of electrons reaching the accelerating electrode 14 with respect to all the electrons ejected from the position of corresponds to the number of electrons that have fallen from the electron emitting portion 13 to a place that is a constant multiple of the stagnation point (xS). Assume.

【0094】[0094]

【数15】 (Equation 15)

【0095】であると仮定する。ここで、αは以下で述
べる系を特徴づけるパラメータ空間の関数で、実数の値
をとる。本実施の形態では、α=1.0とした。
Assume that Here, α is a function of a parameter space characterizing the system described below, and takes a real value. In the present embodiment, α = 1.0.

【0096】この値を電子到達率と呼び、上記のさまざ
まな近似の下で電子到達率を計算することが、本実施の
形態の電子軌道計算装置の測定アルゴリズムである。
This value is called an electron arrival rate, and calculating the electron arrival rate under the various approximations described above is the measurement algorithm of the electron trajectory calculator of the present embodiment.

【0097】いま、散乱率βが小さいとき、数式(1
3)はβについて、十分早い収束を行うので、数式(1
3)の無限級数はβに関する多項式に近似できる。従っ
て、本実施の形態においては、は数式(13)の近似式
を計算することになる。
Now, when the scattering rate β is small, the equation (1)
3) performs a sufficiently fast convergence of β, so that equation (1)
The infinite series of 3) can be approximated by a polynomial regarding β. Therefore, in the present embodiment, is to calculate an approximate expression of Expression (13).

【0098】ここで、電子が電子放出素子の陽極12上
の点x0からある運動エネルギーで放出されたときの最
大到達位置Cx0(前述の数式(6))について説明す
る。Cは前述のように放出時の電子の運動エネルギーに
よって決まるスケーリングパラメータであり、ここで
は、z=0での運動エネルギーは(eVf−Wf)で与え
られることから素子電圧VfとWfの関数となる。ここで
Wfは、仮想電子放出素子の陽極12上の仕事関数であ
る。詳しい計算によると、この定数Cは次式のように表
せられる。
Here, the maximum arrival position Cx0 (formula (6)) when electrons are emitted from the point x0 on the anode 12 of the electron-emitting device with a certain kinetic energy will be described. C is a scaling parameter determined by the kinetic energy of the electrons at the time of emission, as described above. Here, the kinetic energy at z = 0 is given by (eVf-Wf), and thus becomes a function of the device voltages Vf and Wf. . Here, Wf is a work function on the anode 12 of the virtual electron-emitting device. According to a detailed calculation, this constant C can be expressed by the following equation.

【0099】[0099]

【数16】 (Equation 16)

【0100】ここで、eVf(Wf+eVf)={2+
(eVf−Wf)/eVf}の−1乗であることに注目す
ると、この関数Cは、z=0での電子の運動エネルギー
の大きさ(eVf−Wf)と電極間の電位Vfの関数とみ
なすことができる。つまり、z=0での電子の運動エネ
ルギーをKとすると、C=C(K,Vf)と表すことが
できる。ここで、小さいKに対してK/(eVf)が小
さくなることと、指数関数の特徴を考慮すると、CはK
が小さくなると急激に小さくなることが分かる。そこで
数式(6)においてCが小さくなると、電子の到達距離
もそれに比例して短くなり、数式(15)の積分領域ま
で到達するためには、多重に散乱を繰返さなければなら
ないことになる。ところが、このような散乱を繰返すた
びに前述の散乱率βが因子に掛かるため、より小さなK
を有する電子の着地点分布のxがある値以上になると、
その分布が急激に減少することになる。即ち、運動エネ
ルギーが小さい電子が存在しても、そのような電子によ
る数式(15)への寄与が極めて小さいと考えられる。
これにより、エネルギーの減少を伴う散乱(非弾性散
乱)による影響は、数式(15)における電子到達率ζ
の算出に際しては無視できるものとなる。つまり、電子
のエネルギーを保存する弾性散乱のみを考慮すればよ
い。
Here, eVf (Wf + eVf) = {2+
Noting that (eVf−Wf) / eVf} is the −1 power, this function C is a function of the magnitude (eVf−Wf) of the electron kinetic energy at z = 0 and the potential Vf between the electrodes. Can be considered. That is, assuming that the kinetic energy of the electron at z = 0 is K, C = C (K, Vf). Here, considering that K / (eVf) becomes small with respect to a small K and the characteristic of the exponential function, C becomes K
It can be seen that the smaller the is, the sharper it becomes. Therefore, when C in Expression (6) becomes smaller, the arrival distance of electrons also becomes shorter in proportion thereto, and multiple scattering must be repeated in order to reach the integration region of Expression (15). However, each time such scattering is repeated, the aforementioned scattering rate β is multiplied by a factor.
When x of the landing distribution of electrons having
The distribution will decrease sharply. That is, even if there is an electron having a small kinetic energy, it is considered that the contribution of such an electron to Expression (15) is extremely small.
Accordingly, the influence of scattering (inelastic scattering) accompanied by a decrease in energy is due to the electron arrival rate ζ in equation (15).
Is negligible in the calculation of. That is, only the elastic scattering that conserves the energy of the electrons needs to be considered.

【0101】従って、入力部1から入力するパラメータ
としては、仮想電子放出素子の陽極12の仕事関数W
f、加速電極14の電位Va、素子と加速電極14との間
の距離H、素子の電極11,12間の電位Vf、散乱効
率β、陽極12先端の電子の放出位置、これを実際の素
子の電子放出部(亀裂)の間隔dとすると亀裂長d、最
初の電子放出点の分布f0(x)がある。
Therefore, the parameters input from the input unit 1 include the work function W of the anode 12 of the virtual electron-emitting device.
f, the potential Va of the accelerating electrode 14, the distance H between the element and the accelerating electrode 14, the potential Vf between the electrodes 11 and 12 of the element, the scattering efficiency β, the electron emission position at the tip of the anode 12, and the actual element If the distance d between the electron emitting portions (cracks) is d, there is a crack length d and a distribution f0 (x) of the first electron emitting points.

【0102】本実施の形態の電子軌道計算装置の計算手
法を示した流れ図1に従って説明をする。
A description will be given with reference to a flowchart 1 showing a calculation method of the electron trajectory calculation apparatus according to the present embodiment.

【0103】まずステップS1で、入力部1から、上述
した各種パラメータを入力する。次にステップS2で、
仮想加速電極14の電位Va=0の際に、上記で述べた
数式(16)により最大到達位置Cx0を求め、数式
(6)着地点分布f(x,x0)を求め、さらに数式
(13)に従って最終的に陽極12に吸収される電子分
布ftotalを求める。ここで数式(13)の積分級数を
計算する際に、βが十分小さい点で級数を打ち切る。例
えば、本実施の形態では、βの5乗で打ち切っている。
また、積分は通常の数値積分(例えば、シンプソン則、
ガウス公式等の方法を使った数値積分)を行っている。
First, in step S1, the above-mentioned various parameters are input from the input unit 1. Next, in step S2,
When the potential Va of the virtual accelerating electrode 14 is 0, the maximum arrival position Cx0 is obtained by the above-described equation (16), the landing point distribution f (x, x0) is obtained by the equation (6), and the equation (13) is obtained. The electron distribution ftotal finally absorbed by the anode 12 is determined according to the following equation. Here, when calculating the integral series of Expression (13), the series is truncated at a point where β is sufficiently small. For example, in the present embodiment, the cutoff is performed at the fifth power of β.
In addition, the integration is a normal numerical integration (eg, Simpson's rule,
Numerical integration using a method such as Gaussian formula).

【0104】こうして求まった着地点分布に対して、ス
テップS3において、数式(15)に従って、加速電極
に到達する電子数の比ζを計算する。これらステップS
2及び3の処理は、演算部5により数値的に計算され
る。
In step S3, the ratio の of the number of electrons reaching the accelerating electrode is calculated in step S3 for the landing point distribution thus obtained. These steps S
The processes 2 and 3 are numerically calculated by the arithmetic unit 5.

【0105】こうしてステップS4に進み、このように
して得られた電子到達率ζを出力部2あるいはモニタ6
に出力する。
The process then proceeds to step S4, where the electron arrival rate 得 obtained in this way is output to the output unit 2 or the monitor 6
Output to

【0106】図14は、このようにして得られた電子到
達率ζ(放出電流値Ie)を縦軸に、加速電極に印加す
る電圧Vaを横軸にとったときの実験データと計算値と
の関係を示すグラフ図である。尚、図14では、素子と
加速電極との間隔を5mmとし、素子電圧Vfが14
[V]、散乱の確率β=0.15、素子電極の膜厚D=
3nmとしている。
FIG. 14 shows experimental data and calculated values when the electron arrival rate ζ (emission current value Ie) thus obtained is plotted on the vertical axis and the voltage Va applied to the accelerating electrode is plotted on the horizontal axis. It is a graph which shows the relationship of. In FIG. 14, the distance between the element and the accelerating electrode is 5 mm, and the element voltage Vf is 14 mm.
[V], scattering probability β = 0.15, device electrode thickness D =
It is 3 nm.

【0107】図14において、「○」は加速電極におけ
るは表面伝導型放出素子から放出された電子による電流
値を示し、また曲線が本実施の電子軌道計算装置におけ
る計算結果である電子到達率を示している。
In FIG. 14, “○” indicates the current value due to the electrons emitted from the surface conduction electron-emitting device at the accelerating electrode, and the curve indicates the electron arrival rate which is the result of calculation by the electron trajectory calculator of this embodiment. Is shown.

【0108】このように、本実施の形態の電子軌道計算
装置によって、電子の到達率が容易に計算でき、その計
算結果も実際の計測値に略一致するものが得られた。
As described above, the electron trajectory calculation apparatus of the present embodiment can easily calculate the arrival rate of electrons, and obtained a calculation result that substantially matches the actual measured value.

【0109】また、前述の数式(13)において、関数
fに対してのみ、全着地点分布を計算して定義したが、
同様に関数Fを使用してもよい。その場合は、より計算
が簡単になる場合がある。
Further, in the above-mentioned equation (13), the distribution of all landing points is calculated and defined only for the function f.
Similarly, the function F may be used. In that case, the calculation may be easier.

【0110】[実施の形態2]この実施の形態2では、
実施の形態1と同様の装置と図1に示す処理により同様
の仮想電子放出素子に対して測定を行うが、この実施の
形態2においては、電子の仮想電極への全着地点分布
を、数式(6)、(13)を使用せずに行う。即ち、初
期条件として設定した電子放出分布に従って、電子を図
9に示すように、運動方程式(数式(5))に従うよう
に、Va=0の状態で計算する。この時、仮想電子放出
素子の陽極12上での多重散乱及び吸収及び電子の散乱
の分布は、モンテカルロ計算を行うことで対処する。ま
た必要であれば、この装置によって2次電子散乱等の非
弾性散乱もモンテカルロ計算によって対処できる。これ
により、より任意の形状の境界条件での電子の着地点分
布f(x)を計算することができる。
[Second Embodiment] In the second embodiment,
The measurement is performed on the same virtual electron-emitting device by the same apparatus as in the first embodiment and the processing shown in FIG. 1. In the second embodiment, the distribution of all the landing points of the electrons on the virtual electrode is expressed by the following equation. This is performed without using (6) and (13). That is, according to the electron emission distribution set as the initial condition, the electrons are calculated in the state of Va = 0 according to the equation of motion (Equation (5)) as shown in FIG. At this time, the distribution of multiple scattering and absorption and scattering of electrons on the anode 12 of the virtual electron emission element is dealt with by performing Monte Carlo calculation. If necessary, this device can also deal with inelastic scattering such as secondary electron scattering by Monte Carlo calculation. This makes it possible to calculate the landing point distribution f (x) of the electrons under the boundary condition of a more arbitrary shape.

【0111】この方法を用いて、実施例1の流れ図1と
同様に数式(15)を使用して、電子到達率を計算する
ことができる。
Using this method, the electron arrival rate can be calculated by using the equation (15) in the same manner as in the flowchart 1 of the first embodiment.

【0112】また、これらの計算方法は、スピント型あ
るいは、いわゆる模型Field Emitter(例えば、J.Itoh
他in Technical Digest of IVMC 91 ed by S.Namba,Y.N
annichi,and T.Utsumi)を使用した電子放出装置におい
ても効果がある。つまり、本実施の形態2の任意の境界
条件での電子軌道計算が可能な装置において、スピント
型、或は横型Field Emitterを使用した電子放出素子に
おいて、加速電極の電位(Va=0)での電子の落下点
分布を計算することによって、加速電極の電位がゼロで
ないときの加速電極への電子到達率を、前述の数式(1
5)を変形した式に代入して計算することによって求め
ることができる。
These calculation methods are of the Spindt type or the so-called model Field Emitter (for example, J. Itoh).
In Technical Digest of IVMC 91 ed by S. Namba, YN
An electron emission device using an annichi, and T. Utsumi) is also effective. That is, in the electron emission device using the Spindt-type or the horizontal-type Field Emitter in the device capable of calculating the electron trajectory under arbitrary boundary conditions according to the second embodiment, the potential at the acceleration electrode potential (Va = 0) is used. By calculating the drop point distribution of the electrons, the electron arrival rate at the accelerating electrode when the potential of the accelerating electrode is not zero is calculated by the above-mentioned equation (1).
It can be obtained by substituting 5) into the modified equation and calculating.

【0113】なお、本発明は、複数の機器(例えばホス
トコンピュータ,インタフェイス機器,リーダ,プリン
タなど)から構成されるシステムに適用しても、一つの
機器からなる装置(例えば、複写機,ファクシミリ装置
など)に適用してもよい。
The present invention can be applied to a system including a plurality of devices (for example, a host computer, an interface device, a reader, a printer, etc.), but can be applied to a single device (for example, a copying machine, a facsimile). Device).

【0114】また、本発明の目的は、前述した実施形態
の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記
録した記憶媒体を、システムあるいは装置に供給し、そ
のシステムあるいは装置のコンピュータ(またはCPU
やMPU)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを
読出し実行することによっても達成される。
An object of the present invention is to provide a storage medium storing a program code of software for realizing the functions of the above-described embodiments to a system or an apparatus, and to provide a computer (or CPU) of the system or apparatus.
Or MPU) reads and executes the program code stored in the storage medium.

【0115】この場合、記憶媒体から読出されたプログ
ラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現するこ
とになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は
本発明を構成することになる。
In this case, the program code itself read from the storage medium realizes the functions of the above-described embodiment, and the storage medium storing the program code constitutes the present invention.

【0116】プログラムコードを供給するための記憶媒
体としては、例えば、フロッピディスク,ハードディス
ク,光ディスク,光磁気ディスク,CD−ROM,CD
−R,磁気テープ,不揮発性のメモリカード,ROMな
どを用いることができる。
Examples of a storage medium for supplying the program code include a floppy disk, hard disk, optical disk, magneto-optical disk, CD-ROM, and CD.
-R, a magnetic tape, a nonvolatile memory card, a ROM, or the like can be used.

【0117】また、コンピュータが読出したプログラム
コードを実行することにより、前述した実施形態の機能
が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示
に基づき、コンピュータ上で稼働しているOS(オペレ
ーティングシステム)などが実際の処理の一部または全
部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が
実現される場合も含まれる。
When the computer executes the readout program code, not only the functions of the above-described embodiment are realized, but also the OS (Operating System) running on the computer based on the instruction of the program code. ) Performs part or all of the actual processing, and the processing realizes the functions of the above-described embodiments.

【0118】さらに、記憶媒体から読出されたプログラ
ムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボード
やコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わる
メモリに書込まれた後、そのプログラムコードの指示に
基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わ
るCPUなどが実際の処理の一部または全部を行い、そ
の処理によって前述した実施形態の機能が実現される場
合も含まれる。
Further, after the program code read from the storage medium is written into a memory provided in a function expansion board inserted into the computer or a function expansion unit connected to the computer, based on the instruction of the program code, The case where the CPU of the function expansion board or the function expansion unit performs part or all of the actual processing, and the function of the above-described embodiment is realized by the processing.

【0119】以上説明したように本実施の形態によれ
ば、電子放出素子から放出された電子が散乱されるよう
な場合に、その電子放出素子に特有な電子軌道の性質に
より、電子到達率を短時間に効率よく、また精度よく計
算できる。
As described above, according to the present embodiment, when electrons emitted from the electron-emitting device are scattered, the electron arrival rate is reduced by the characteristic of the electron orbital of the electron-emitting device. It can calculate efficiently and accurately in a short time.

【0120】これにより、電子放出素子、特に表面伝導
型放出素子の設計、開発が効率良くできるようになっ
た。
As a result, the design and development of an electron-emitting device, particularly, a surface conduction electron-emitting device can be efficiently performed.

【0121】[0121]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、放
出された電子が反射・散乱される系における電子の軌道
を推測して、放出対象の加速電極に到達する電子量を定
量化できるという効果がある。
As described above, according to the present invention, it is possible to estimate the trajectory of electrons in a system in which emitted electrons are reflected and scattered, and to quantify the amount of electrons reaching the accelerating electrode to be emitted. This has the effect.

【0122】また本発明によれば、計算量を少なくし
て、対象となる加速電極に到達する電子量を求めること
ができるという効果がある。
Further, according to the present invention, there is an effect that the amount of electrons reaching the target acceleration electrode can be obtained with a reduced amount of calculation.

【0123】[0123]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態の電子軌道計算装置におけ
る軌道計算をのアルゴリズムを示すフローチャートであ
る。
FIG. 1 is a flowchart illustrating an algorithm for orbit calculation in an electron orbit calculation device according to an embodiment of the present invention.

【図2】本実施の形態の電子軌道計算装置の概略構成を
示すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an electron trajectory calculation device according to the present embodiment.

【図3】本実施の形態の表面伝導型放出素子の基本構成
を説明する図で、(A)は平面図,(B)は断面図であ
る。
3A and 3B are diagrams illustrating a basic configuration of a surface conduction electron-emitting device according to the present embodiment, wherein FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a cross-sectional view.

【図4】本実施の形態の表面伝導型放出素子の製造工程
を説明する図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a manufacturing process of the surface conduction electron-emitting device of the present embodiment.

【図5】本実施の形態の表面伝導型放出素子の測定評価
装置の構成を示すブロック図である。
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of a measurement and evaluation device for a surface conduction electron-emitting device according to the present embodiment.

【図6】本実施の形態の表面伝導型放出素子の製造工程
で素子電極間に印加するパルス波形の説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram of a pulse waveform applied between device electrodes in a manufacturing process of the surface conduction electron-emitting device of the present embodiment.

【図7】本実施の形態の表面伝導型放出素子の電子放出
特性を説明するグラフ図である。
FIG. 7 is a graph illustrating electron emission characteristics of the surface conduction electron-emitting device of the present embodiment.

【図8】本実施の形態の表面伝導型放出素子から電子を
放出させる際の電界分布及び電子の放出の様子を説明す
る図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating an electric field distribution and emission of electrons when electrons are emitted from the surface conduction electron-emitting device of the present embodiment.

【図9】本実施の形態の電子軌道計算を説明するための
仮想的な電子放出素子と加速電極の配置を示すモデル図
である。
FIG. 9 is a model diagram showing the arrangement of virtual electron-emitting devices and acceleration electrodes for explaining electron trajectory calculation according to the present embodiment.

【図10】本実施の形態の仮想モデルにおける放出され
た電子の到達経路を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a reaching path of emitted electrons in the virtual model of the present embodiment.

【図11】本実施の形態の仮想モデルにおける放出され
た電子の到達経路を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a reaching path of emitted electrons in the virtual model of the present embodiment.

【図12】本実施の形態の仮想モデルにおける放出され
た電子の着地点分布を説明する図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating a distribution of landing points of emitted electrons in the virtual model according to the present embodiment.

【図13】本実施の形態の仮想モデルにおける放出され
た電子の着地点分布を位置xと分布に対して共に対数的
に示す図である。
FIG. 13 is a diagram illustrating the distribution of landing points of emitted electrons in the virtual model of the present embodiment in a logarithmic manner with respect to the position x and the distribution.

【図14】本実施の形態の電子軌道計算装置による計算
結果と、実験により求めた放出電流値との関係を示す図
である。
FIG. 14 is a diagram illustrating a relationship between a calculation result obtained by the electron trajectory calculation apparatus according to the present embodiment and an emission current value obtained by an experiment.

【図15】従来の表面伝導型放出素子の基本構成を示す
図である。
FIG. 15 is a diagram showing a basic configuration of a conventional surface conduction electron-emitting device.

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電子放出素子から放出される荷電粒子の
軌道を計算する軌道計算装置であって、 電子放出素子と前記電子放出素子から放出された電子を
前記電子放出素子の真上方向に加速させる加速電極とを
備える系における、前記加速電極による影響を考慮する
ことなく前記電子放出素子から放出された電子が前記電
子放出素子近傍に落下する着地点分布を計算する第1計
算手段と、 前記第1計算手段により計算された着地点分布に基づ
き、前記加速電極に印加された電圧による影響を考慮し
た場合の前記電子放出素子から前記加速電極への電子の
到達率を求める第2計算手段と、を有することを特徴と
する軌道計算装置。
1. A trajectory calculation device for calculating a trajectory of a charged particle emitted from an electron-emitting device, wherein the electron-emitting device and an electron emitted from the electron-emitting device are accelerated directly above the electron-emitting device. And a first calculating unit that calculates a distribution of landing points at which electrons emitted from the electron-emitting device fall near the electron-emitting device without considering the influence of the acceleration electrode, A second calculating means for calculating an arrival rate of electrons from the electron-emitting device to the accelerating electrode based on the landing point distribution calculated by the first calculating means, in consideration of an influence of a voltage applied to the accelerating electrode; A trajectory calculation device comprising:
【請求項2】 前記第1計算手段は、前記系における電
界が略ゼロとなる淀み点を算出することを特徴とする請
求項1に記載の軌道計算装置。
2. The trajectory calculation apparatus according to claim 1, wherein the first calculation means calculates a stagnation point at which the electric field in the system becomes substantially zero.
【請求項3】 前記淀み点の座標値は、電子が放出され
るx座標位置をゼロとすると、x=Vf・H/πVa
(Vfは前記電子放出素子に印加される電圧、Hは電子
放出素子と加速電極間の距離、Vaは加速電極に印加さ
れる電圧)で与えられることを特徴とする請求項2に記
載の軌道計算装置。
3. The coordinate value of the stagnation point is given by: x = Vf · H / πVa, where x-coordinate position where electrons are emitted is zero.
The orbit according to claim 2, wherein (Vf is a voltage applied to the electron-emitting device, H is a distance between the electron-emitting device and the acceleration electrode, and Va is a voltage applied to the acceleration electrode). Computing device.
【請求項4】 前記第1計算手段は、前記着地点分布を
放出された電子が前記電子放出素子上で多重散乱される
確率に関する近似多項式を用いて計算することを特徴と
する請求項1に記載の軌道計算装置。
4. The apparatus according to claim 1, wherein the first calculating means calculates the landing point distribution using an approximate polynomial relating to a probability that the emitted electrons are multiple-scattered on the electron-emitting device. Orbit calculator as described.
【請求項5】 前記第2計算手段は、前記淀み点の所定
倍の位置から離れる方向に前記着地点分布を積分して前
記電子の到達率を求めることを特徴とする請求項2又は
3に記載の軌道計算装置。
5. The method according to claim 2, wherein the second calculating means calculates the arrival rate of the electrons by integrating the landing point distribution in a direction away from a position that is a predetermined multiple of the stagnation point. Orbit calculator as described.
【請求項6】 前記電子放出素子は表面伝導型放出素子
であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項
に記載の軌道計算装置。
6. The trajectory calculation apparatus according to claim 1, wherein said electron-emitting device is a surface conduction electron-emitting device.
【請求項7】 前記電子は前記表面伝導型放出素子の電
子放出部から放出され、前記表面伝導型放出素子の陽極
上に着地することを特徴とする請求項6に記載の軌道計
算装置。
7. The trajectory calculation device according to claim 6, wherein the electrons are emitted from an electron emission portion of the surface conduction electron-emitting device and land on an anode of the surface conduction electron-emitting device.
【請求項8】 電子放出素子から放出される荷電粒子の
軌道を計算する軌道計算方法であって、 電子放出素子と前記電子放出素子から放出された電子を
前記電子放出素子の真上方向に加速させる加速電極とを
備える系における、前記加速電極による影響を考慮する
ことなく前記電子放出素子から放出された電子が前記電
子放出素子近傍に落下する着地点分布を計算する第1計
算工程と、 前記第1計算工程で計算された着地点分布に基づき、前
記加速電極に印加された電圧による影響を考慮した場合
の前記電子放出素子から前記加速電極への電子の到達率
を求める第2計算工程と、を有することを特徴とする軌
道計算方法。
8. A trajectory calculation method for calculating a trajectory of charged particles emitted from an electron-emitting device, comprising: accelerating an electron-emitting device and electrons emitted from the electron-emitting device in a direction directly above the electron-emitting device. A first calculating step of calculating a distribution of landing points at which electrons emitted from the electron-emitting device fall near the electron-emitting device without considering the influence of the acceleration electrode, A second calculation step of calculating an arrival rate of electrons from the electron-emitting device to the acceleration electrode when considering an influence of a voltage applied to the acceleration electrode based on the landing point distribution calculated in the first calculation step; A trajectory calculation method comprising:
【請求項9】 前記第1計算工程では、前記系における
電界が略ゼロとなる淀み点を算出することを特徴とする
請求項8に記載の軌道計算方法。
9. The trajectory calculation method according to claim 8, wherein in the first calculation step, a stagnation point at which the electric field in the system becomes substantially zero is calculated.
【請求項10】 前記淀み点の座標値は、電子が放出さ
れるx座標位置をゼロとすると、x=Vf・H/πVa
(Vfは前記電子放出素子に印加される電圧、Hは電子
放出素子と加速電極間の距離、Vaは加速電極に印加さ
れる電圧)で与えられることを特徴とする請求項9に記
載の軌道計算方法。
10. The coordinate value of the stagnation point is x = Vf · H / πVa, where x-coordinate position where electrons are emitted is set to zero.
The trajectory according to claim 9, wherein (Vf is a voltage applied to the electron-emitting device, H is a distance between the electron-emitting device and the acceleration electrode, and Va is a voltage applied to the acceleration electrode). Method of calculation.
【請求項11】 前記第1計算工程では、前記着地点分
布を放出された電子が前記電子放出素子上で多重散乱さ
れる確率に関する近似多項式を用いて計算することを特
徴とする請求項8に記載の軌道計算方法。
11. The method according to claim 8, wherein in the first calculation step, the landing point distribution is calculated using an approximate polynomial relating to a probability that the emitted electrons are multiple-scattered on the electron-emitting device. Orbit calculation method described.
【請求項12】 前記第2計算工程では、前記淀み点の
所定倍の位置から離れる方向に前記着地点分布を積分し
て前記電子の到達率を求めることを特徴とする請求項9
又は10に記載の軌道計算方法。
12. The method according to claim 9, wherein in the second calculating step, the arrival rate of the electrons is obtained by integrating the landing point distribution in a direction away from a position that is a predetermined multiple of the stagnation point.
Or the trajectory calculation method according to 10.
【請求項13】 前記電子放出素子は表面伝導型放出素
子であることを特徴とする請求項8乃至12のいずれか
1項に記載の軌道計算方法。
13. The trajectory calculation method according to claim 8, wherein said electron-emitting device is a surface conduction electron-emitting device.
【請求項14】 前記電子は前記表面伝導型放出素子の
電子放出部から放出され、前記表面伝導型放出素子の陽
極上に着地することを特徴とする請求項13に記載の軌
道計算方法。
14. The trajectory calculation method according to claim 13, wherein the electrons are emitted from an electron emission portion of the surface conduction electron-emitting device and land on an anode of the surface conduction electron-emitting device.
【請求項15】 電子放出素子から放出される荷電粒子
の軌道を計算する軌道計算方法であって、 電子放出素子と、前記電子放出素子に略平行に設けられ
た加速電極とを備える系の電界分布を近似し、 前記電子放出素子の陽電極の方向をx軸にとり、前記x
軸の原点を前記電子が放出される点とし、前記陽電極上
に生じる電界が略ゼロとなるx軸での位置xSを求め、 前記位置xSを比例係数とする前記x軸上での着地点分
布の面積に基づいて前記加速電極に到達する電子量を求
めることを特徴とする軌道計算方法。
15. A trajectory calculation method for calculating the trajectory of charged particles emitted from an electron-emitting device, comprising: an electric field of a system including an electron-emitting device and an accelerating electrode provided substantially parallel to the electron-emitting device. Approximating the distribution, taking the direction of the positive electrode of the electron-emitting device on the x-axis,
The origin of the axis is the point from which the electrons are emitted, the position xS on the x-axis at which the electric field generated on the positive electrode is substantially zero, and the landing point on the x-axis with the position xS as a proportional coefficient A trajectory calculation method, wherein an amount of electrons reaching the acceleration electrode is obtained based on an area of the distribution.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006032202A (en) * 2004-07-20 2006-02-02 Hitachi High-Technologies Corp Charged particle beam device
JP2014183098A (en) * 2013-03-18 2014-09-29 Dainippon Printing Co Ltd Program for correcting irradiation position of charge particle beam, computing device for correction amount of irradiation position of charge particle beam, charge particle beam irradiation system, and method for correcting irradiation position of charge particle beam

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