JPH05190077A

JPH05190077A - 電子放出素子

Info

Publication number: JPH05190077A
Application number: JP2333492A
Authority: JP
Inventors: Hisami Iwai; 久美岩井; Ichiro Nomura; 一郎野村; Tetsuya Kaneko; 哲也金子
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-01-14
Filing date: 1992-01-14
Publication date: 1993-07-30

Abstract

(57)【要約】【目的】電子放出部のフォーミングをさらに低い電圧
で安定して行えるようにして、さらに素子のばらつきを
抑制して素子の均質化と歩留の向上を図る。【構成】絶縁性基板上に形成した一対の電極と、該電
極間に配置された微粒子から成る膜状の電子放出部材
と、これに通電することにより形成される電子放出部と
を備えた電子放出素子において、少なくとも電子放出部
材と接する基板表面に複数の突起を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面伝導形電子放出素
子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、簡単な構造で電子の放出が得られ
る素子として、例えばエム・アイ・エリンソン（Ｍ．
Ｉ．Ｅｌｉｎｓｏｎ）等によって発表された冷陰極素子
が知られている［ラジオエンジニアリングエレクト
ロンフィジックス（ＲａｄｉｏＥｎｇ．Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ．Ｐｈｙｓ．）第１０巻，１２９０〜１２９６頁，
１９６５年］。これは、基板上に形成された小面積の薄
膜に、膜内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、一般には表面伝導形電子
放出素子と呼ばれている。この表面伝導形電子放出素子
としては、前記エリンソン等により開発されたＳｎＯ₂
（Ｓｂ）薄膜を用いたもの、Ａｕ薄膜によるもの［ジー
・ディトマー“スインソリッドフィルムス”（Ｇ．
Ｄｉｔｔｍｅｒ：“ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍ
ｓ”），９巻，３１７頁，（１９７２年）］、ＩＴＯ薄
膜によるもの［エムハートウェルアンドジーシー
フォンスタッド “アイイーイーイートランス”イーデ
ィーコンファレン（Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌａｎｄ
Ｃ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔａｄ： “ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．
ＥＤＣｏｎｆ．”）５１９頁，（１９７５年）］、カ
ーボン薄膜によるもの［荒木久也：“真空”第２６巻，
第１号，２２頁，（１９８３年）］などが報告されてい
る。

【０００３】これらの表面伝導形電子放出素子の典型的
な素子構成を図９に示す。同図において、２および３は
電気的接続を得るための電極、１１は電子放出材料で形
成される薄膜、１は基板、５は電子放出部を示す。

【０００４】従来、これらの表面伝導形電子放出素子に
おいては、電子放出を行う前にあらかじめフォーミング
と呼ばれる通電過熱処理によって電子放出部５を形成す
る。即ち、電極２と電極３の間に電圧を印加する事によ
り、薄膜１１に通電し、これにより発生するジュール熱
で薄膜１１を局所的に破壊、変形もしくは変質せしめて
電気的に高抵抗な状態にした電子放出部５を形成するこ
とにより電子放出機能を得ている。

【０００５】なお、電気的に高抵抗状態とは、薄膜１１
の一部に０．５〜５μｍの亀裂を有し、且つ亀裂内が所
謂島構造を有する不連続状態膜をいう。島構造とは一般
に数十Åから数μｍ径の微粒子が基板１にあり、各微粒
子は空間的に不連続で電気的に連続な膜をいう。

【０００６】従来、表面伝導形電子放出素子は上述高抵
抗不連続膜に電極２，３により電圧を印加し、素子表面
に電流を流すことにより、上述微粒子より電子を放出せ
しめるものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
様な従来の通電過熱によるフォーミング処理によって製
造された電子放出素子には、次のような問題点がある。
すなわち、電子放出部となる島構造の設計が不可能な
ため、素子の改良が難しく、素子間のばらつきも生じや
すい、島構造の寿命が短く且つ安定性が悪く、また外
界の電磁波ノイズにより素子破壊も生じやすい、電気
的に高抵抗な状態にするために必要とする最小電圧であ
るフォーミング電圧が大きく、フォーミング工程の際に
生じるジュール熱が大きいため、基板が破壊しやすくマ
ルチ化が難しい、島構造の材料が金，銀，ＳｎＯ₂ ，
ＩＴＯ等に限定され仕事関数の小さい材料が使えないた
め、大電流を得る事ができない、等の問題である。この
ため、表面伝導形電子放出素子は、素子構造が簡単であ
るという利点があるにもかかわらず、産業上積極的に応
用されるには至っていない。

【０００８】本発明は電子放出素子を、複数の突起を有
する基板上に作成することによって上記問題を解決する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明では、絶縁性基板上に形成した一対の電極と、該
電極間に配置された微粒子から成る膜状の電子放出部材
と、これに通電することにより形成される電子放出部と
を備えた電子放出素子において、少なくとも電子放出部
材と接する基板表面に複数の突起を有するようにしてい
る。

【００１０】ところで、先述した図９に示すような典型
的な表面伝導形電子放出素子において、電子放出材であ
る薄膜の材料によっては、基板との密着が悪くそれが原
因で特に、島構造の安定性が悪く電子放出量の変動が
大きい、電子放出特性が悪く電子放出量が小さい、な
どの欠点を有するものがあり、これを改善するために基
板の表面処理を行うという方法が報告されている［荒木
久他：”真空”第２６巻，第１号，２２頁（１９８３
年）］。この報告によれば基板の表面を研磨紙でこする
ことによって故意に基板表面に凹凸をつけ、薄膜との密
着性を上げることによって上記問題点が解決され、特性
の良い素子が得られたと述べられてる。

【００１１】一方、先述した表面伝導形電子放出素子に
ついて本発明者等が鋭意検討した結果、特開平２−５６
８２２号において、電極間に微粒子膜を配置しこれに通
電処理を施すことにより電子放出部を設ける新規な表面
伝導形電子放出素子を提案している。この新規な電子放
出素子の断面構成図を図８に示す。同図において、１は
基板、２および３は基板１上に形成された電極、６は電
極２上から電極３上に渡り基板１上に形成された微粒子
膜、５は微粒子膜６に形成された電子放出部である。

【００１２】この電子放出素子の特徴としては次のよう
なことが挙げられる。すなわち、フォーミング時の熱
量を少なくすることができるため膜割れや基板割れを防
止することができ、そして島材の選択が可能で、且つ
電子放出材に微粒子膜を用いることによりフォーミング
工程に要する電圧（フォーミング電圧）が小さくて済む
ため、制御性もより向上させることができる。

【００１３】本発明の目的は、このような特徴を有する
図８に示すような電子放出素子を、少なくとも電子放出
部材と接する表面に複数の突起を有する絶縁性基板上に
作成することにより、電子放出部のフォーミングをさら
に低い電圧で安定して行えるようにして、さらに素子の
ばらつきを抑制して素子の均質化と歩留の向上を図るこ
とにある。

【００１４】以下に本発明の構成要素及び作用について
詳細に説明する。図１は本発明の電子放出素子の一実施
態様を示す概略図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図で
ある。図１及び図２において１は基板であり、本発明に
おいては少なくとも電極間に設けられる電子放出部材と
接する領域では複数の突起を有するもので、ガラスやセ
ラミクス等の絶縁物で構成される。突起の形状は、例え
ば電界放出型冷陰極に見られるような円錐形状である必
要はなく、また、突起の先端の断面形状は丸くても台形
状でも良い。即ち、基板の断面形状に凹凸を有するよう
な形状であれば良い。突起の高さは電子放出部材である
微粒子の粒径の１〜１０倍が好ましい。各突起間の間隔
は微粒子の粒径の２倍以上が好ましい。絶縁性基板の電
子放出部材と接する部分の表面積は、対面積比で１．５
倍以上あることが望ましい。また、絶縁性基板として、
表面がすりガラス状のものを用いることも可能である
が、通常の表面が平滑なガラスの表面をあらしたものを
用いることもできる。

【００１５】絶縁性基板をあらす方法としては、Ａｒ等
の原子量の大きい原子を用いたスパッタリングや、フッ
酸・酢酸溶液をエッチャントとして用いたウェットエッ
チング、耐水研摩紙でこする等の方法を用いることが可
能であるが、これらに限るものではない。

【００１６】更に２および３は電極で、一般的な導電材
料、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ等の金属の他、ＳｎＯ₂ ，ＩＴＯ
等の酸化物導伝性材料のものも使用できる。電極の幅は
数μｍ〜数ｍｍが適当である。電極間の最小間隔である
電極ギャップＧは数μｍ〜数１００μｍが適当である。
また、５は電子放出部、６は電子放出部材である微粒子
膜である。

【００１７】微粒子膜の材料としては、ＬａＢ₆ ，Ｃ₈
Ｂ₆ ，ＹＢ₄ ，ＧｄＢ₄ などの硫化物、ＴｉＣ，Ｚｒ
Ｃ，ＨｆＣ，ＴａＣ，ＳｉＣ，ＷＣなどの炭化物、Ｔｉ
Ｎ，ＺｒＮ，ＨｆＮなどの窒化物、Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｈ，
Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ａｕ，Ａ
ｇ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｐｂ，Ｐ
ｄ，Ｃａ，Ｂａなどの金属、Ｉｎ₂ Ｏ₃ ，ＳｎＯ₂ ，Ｓ
ｕＯ₂ ，Ｓｂ₂ Ｏ₃ などの金属酸化物、Ｓｉ，Ｇｅなど
の半導体、カーボン、ＡｇＭｇなどを用いることができ
るがこれに限定されない。

【００１８】微粒子膜は、例えば、これらの材料のうち
の１種類以上をディッピング法やスピナー法等の分散塗
布法およびガスデポジション法等を用いて少なくとも電
極ギャップＧを含む電極２、３間に配置して形成され
る。この際、微粒子膜のシート抵抗は５Ｘ１０³ 〜１Ｘ
１０⁷ ／□となるように形成するのが好ましい。

【００１９】

【作用】電子放出部は、このようにして形成した電子放
出素子を約１Ｘ１０^-5〜１Ｘ１０^-6ｔｏｒｒの真空度の
下におき、電極２、３間に電圧を印加して微粒子膜６内
に形成されるが、このフォーミング工程に要する電圧
（フォーミング電圧）は、平滑な基板上に形成する場合
より小さくすることができる。即ちフォーミング電圧
は、従来のように、電子放出材に薄膜を用いる場合、電
子放出材により１０〜４０Ｖであり、微粒子から成る電
子放出部材を用いて平滑な基板上に形成する場合は５〜
１０Ｖであるのに対し、微粒子から成る電子放出部材を
用い、かつ表面に凹凸を有する基板上に形成する本発明
の場合は４〜６Ｖで足りる。

【００２０】基板上の凹凸とフォーミング電圧の低下に
どのような関連があるのかについては不明であるが、本
発明者等は次のように推測する。即ち、図３に示すよう
に、平滑な基板１上に微粒子を塗布する際には、膜厚の
ほぼそろった微粒子膜６が得られるが、本発明のように
基板１表面が４図に示すように突起を有する場合、微粒
子膜６の膜厚は不均一となり、場合によって薄い部分と
厚い部分が生じる。このため、本発明の場合、微粒子膜
６内に電流が流れる際に膜の薄い部分では電流密度が増
し、熱が集中することにより、より低い電圧で電子放出
部５をフォーミングできるものと推測される。このよう
に本発明の電子放出素子では、低電圧でフォーミングで
きるため安定にフォーミングでき、制御性もより向上さ
せることができる。また、複数の素子について、素子間
でばらつくことなく均質な素子が得られ、作製上の歩留
まりが向上する。更に、電子放出材に薄膜を用いた場合
と同様に、基板表面に凹凸を有することにより、微粒子
膜と基板との密着が良くなるため、電子放出部内の島構
造の安定性が良くなり、電子放出量の変動量もより小さ
くなる。

【００２１】以下、本発明の実施例を説明する。

【００２２】

【実施例】実施例１図５は本発明の一実施例に係る電子放出素子の構成を示
す斜視図であり、図６は図５のＢ−Ｂ断面図である。

【００２３】図中、１は石英ガラス製の絶縁体基板、７
は絶縁体基板１上に形成されたＳｉＯ₂ の絶縁体膜、２
および３は絶縁体７上に形成された相対向する電極、４
は電極２，３間のギャップ、６は電極２から電極３に渡
って形成された微粒子膜、５は微粒子膜６中に形成され
た電子放出部である。この素子は次のようにして製造さ
れる。

【００２４】まず、絶縁体基板１を十分洗浄し、基板全
体に絶縁体膜７を形成する。絶縁体膜７の材料として
は、ＳｉＯ₂ ，ガラス，アルミナ等が好適であり、形成
方法としては、通常良く用いられる蒸着技術や液体コー
ティング法等を用いると良い。ここでは、蒸着法でＳｉ
Ｏ₂ を用いて行った。また膜厚は５０００Åとした。

【００２５】次に、通常良く用いられるドライエッチン
グ技術により、絶縁体膜７の表面をエッチングし、平坦
な表面を粗くし凹凸状にして突起を形成する。この時、
突起の高さは、微粒子膜６の微粒子の粒径の１〜１０倍
となるようにする。ここでは約１５００Å程度となるよ
うにした。また、各突起間の間隔は約２０００Å程度と
した。

【００２６】次に、ホトリソ・エッチング技術および蒸
着技術により、電極２および３を形成する。電極の材料
としては、下びきとしての厚さ５０ÅのＴｉ、および厚
さ９５０ÅのＮｉを用いた。

【００２７】更に、同様の方法により電極ギャップ４の
付近の必要な領域以外の領域にＣｒを５００Åの厚さで
成膜した。そしてこの上に、粒径１０００Å以下のＳｎ
Ｏ₂微粒子１．０ｇ、有機溶媒（メチルエチルケトン：
シクロヘキサン＝３：１、８００ｃｃ）の各材料をガラ
スビーズと共にペイントシェーカーで２４時間攪拌して
得られた分散液をスピンコートし、２５０°Ｃで１０分
焼成した。そしてこの後、先に成膜したＣｒをエッチア
ウトした。これにより、電極２，３間および電極２，３
上により微粒子膜６が形成された。

【００２８】そして最後に、以上の工程により作成した
電子放出素子を真空中におき、一対の電極２，３間に電
圧を印加してフォーミングを行う。この際６Ｖの電圧で
安定にフォーミングすることができた。

【００２９】比較のため、通常の平滑な基板上に、突起
を形成することなく、直接電極２，３および微粒子膜を
上記と同様の方法で形成することにより、同形状、同材
料の電子放出素子を作製し、上記と同様にしてフォーミ
ングを行ったところ、フォーミング電圧は８Ｖであっ
た。即ち、基板に突起を有することによりフォーミング
電圧を低くすることができ安定に歩留まり良く素子を作
製することができることがわかる。更に、本実施例とこ
の比較例それぞれの素子の上方に引出し電極（不図示）
を設け、電子放出を行わせ、そのまま３０分放置し、耐
久テストを行ったところ、両素子とも安定に電子放出し
たが、本実施例の素子の方が平滑な基板上に設けた比較
例の素子よりも電子放出量の変動量が小さく、０．８倍
に抑えることができた。

【００３０】実施例２図１は本発明の第２の実施例に係る電子放出素子の構成
を示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図であ
る。

【００３１】この素子は、実施例１のように絶縁体膜７
上に突起を設ける代わりに、絶縁体基板１上に直接突起
を設けるようにしたもので、他は実施例１と同様の構成
を有し、以下のようにして製造される。

【００３２】まず、絶縁体基板（コ−ニング７０５９ガ
ラス）１を十分洗浄してから、水で濡らした耐水研磨紙
（エミリー＃１０００）上で表面を軽く研磨した。

【００３３】次に、実施例１との同様の方法で電極２，
３を形成した。

【００３４】次に、蒸着マスクを用い、ガスデポジショ
ン法により、粒径０．１ｍｍ以下のＡｕ微粒子を電極ギ
ャップ４および一部の電極２，３上に配置した。そし
て、実施例１と同様にフォーミングすることにより、電
子放出素子が完成した。

【００３５】そして、基板１を研磨せずに直接電極２，
３と微粒子膜６を同様の方法および同材料を用いて電子
放出素子を作製する場合と比較したところ、本実施例の
場合の方がより低電圧でフォーミングでき、電子放出量
の変動量の小さい電子放出素子を歩留まり良く得ること
ができた。また、素子の特性の面でも実施例１と同様の
効果が得られている。

【００３６】したがって、実施例１の場合と併せて考え
れば、この効果は、基板や電子放出材および突起の製作
方法に関わらず、突起を設けることによって得られるも
のであることがわかる。

【００３７】実施例３図７は本発明の第３の実施例に係る電子放出素子の構
成を示す断面図である。図中１は基板、８は基板１上の
絶縁層、９は絶縁層８上に形成された上電極、１０は基
板１上に形成された下電極、４は電極９，１０間のギャ
ップ、６は上電極９から、下電極１０に渡り絶縁層８側
面に形成された微粒子膜、５は電子放出部である。

【００３８】この素子は、次のようにして製造される。
まず、絶縁体基板１を十分洗浄し、通常良く用いられる
ホトリソグラフィ技術および蒸着技術により下電極１０
を形成する。

【００３９】次に、スパッタ法を用いて基板全面にＳｉ
Ｏ₂ を５０００Åの厚さで成膜し、下電極１０との同様
の方法で上電極９を形成した。更に、ホトリソ・エッチ
ング技術により不要な部分のＳｉＯ₂ をエッチングし絶
縁８を形成した。

【００４０】次に、フッ酸（５０％溶液）、硝酸および
酢酸を１：１：８０の割合で混合した溶液中で３０秒間
攪拌することにより、絶縁層８の側面を粗して突起を形
成した。

【００４１】次に、実施例１の場合と同様に、膜厚５０
０ÅのＣｒを、微粒子膜６を配置したくないところに成
膜してから、有機パラジウム化合物溶液（奥野製薬
（株）ＣＣＰ４２３０）をディッピングにより塗布し、
その後、３００℃で１０分間焼成し、Ｃｒをエッチアウ
トした。これにより、所定の位置に微粒子膜６が配置さ
れた。

【００４２】以上の工程により作成した電子放出素子を
実施例１と同様にしてフォーミングし、特性を評価した
ところ、フォーミング電圧は４Ｖであった。また、比較
例として突起形成を行わない外は同様にして作製した素
子についてフォーミング電圧を測定したところ、フォー
ミング電圧は６Ｖであった。即ち、本実施例の素子では
より低い電圧でフォーミングすることができる。更に実
施例１と同様にこれらの素子の電子放出量の変動量を測
定すると、本実施例の素子では比較例の３／４倍であ
り、変動量を抑える効果があることがわかる。

【００４３】実施例４図１０は本発明の電子放出素子を利用した第４の実施例
に係る電子源の部分的な斜視図である。図中、１は基
板、２，３は素子電極、４は電極ギャップ、５は電子放
出部、６は微粒子膜、１２は配線電極である。

【００４４】この電子源は次のようにして製造される。
まず、３０ｃｍＸ３０ｃｍの絶縁性基板（青板ガラス）
１を十分洗浄した後、実施例３と同様の工程を用いて基
板１の表面を粗らして突起を形成した。

【００４５】次に、実施例１と同様の方法で素子電極
２，３を線状に並べたものを複数形成した。更に実施例
３と同様にして５００Åの膜厚のＣｒを微粒子膜６を配
置したくないところに成膜してから、有機パラジウム化
合物溶液（奥野製薬（株）ＣＣＰ４２３０）をバーコー
ト法により塗布し、その後３００℃で１０分間焼成し、
Ｃｒをエッチアウトした。これにより、微粒子膜６が配
置された。

【００４６】次に、この上に、前記素子電極２，３を形
成する場合と同様にして配線電極１２を形成した。そし
て、このように作製した電子源を真空容器に入れ、配線
電極１２間に電圧を印加してフォーミングを行った。複
数配置した素子の全てにつき４Ｖの電圧でフォーミング
を安定して行うことができた。

【００４７】これら複数の素子が安定にフォーミングで
きる理由としては次の事が考えられる。即ち、一般に、
平滑な基板上に複数の素子を形成し、電子放出材を配置
する際、電子放出材である微粒子膜をなるべく均一に配
置し、微粒子膜のシート抵抗を揃えることで、複数の素
子の特性を揃え、素子間のばらつきを少なくすることが
望ましいが、基板面積が大きい場合は微粒子膜を均一に
配置することは難しく、場所により膜厚分布ができやす
い。このことから、膜厚の薄い部分では低い電圧でフォ
ーミングし厚い部分ではフォーミング電圧が高くなる等
のばらつきを生じてしまう。しかし、基板に突起を形成
することにより、突起上では一様に膜厚が薄くなり、複
数の素子間でばらつくことなくフォーミングできると考
えられる。

【００４８】更に、この電子源の５ｍｍ鉛直上に１ｋＶ
の電圧を印加した蛍光体基板を設置して電子源からこれ
に対して電子を放出させ、そのまま３０分放置して耐久
テストを行ったところ、電子放出量の変動量も、平滑な
基板上に同様の電子源を作製した場合の約０．８倍に抑
えることができた。このように本発明の放出素子を用い
て電子源を構成すれば、電子放出量の変動量が少なく、
複数の素子間にばらつきが少ないため、ゆらぎ、ちらつ
き等のない電子源を歩留まり良く作成することができ
る。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、少
なくとも電子放出部材と接する基板表面に複数の突起を
設けるようにしたため、より低電圧でフォーミングで
き、安定に歩留まり良く電子放出素子を作製することが
できる。また、微粒子膜の密着性が更に良くなるた
め、安定した電子放出が得られ、電子放出量の変動量を
小さくすることができる。更に、本発明の電子放出素
子を用いて画像形成装置を形成すれば、同等の効果、即
ち、歩留まり良く、ちらつきのない、均一な輝度の画像
形成装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施態様及び第２の実施例に係る電
子放出素子の平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】従来の平滑な基板上の電子放出部近傍の断面
図である。

【図４】本発明の電子放出素子の電子放出部近傍の断
面図である。

【図５】本発明の第１の実施例に係る電子放出素子の
斜視図である。

【図６】図５のＢ−Ｂ断面図である。

【図７】本発明の第３の実施例に係る電子放出素子の
断面図である。

【図８】従来の平滑な基板上の電子放出素子の断面図
である。

【図９】従来の薄膜ＳＣＥの平面図である。

【図１０】本発明の電子放出素子を利用した第４の実
施例に係る電子源の部分的な斜視図である。

【符号の説明】１：基板、２，３：電極、４：電極ギャップ、５：電子
放出部、６：微粒子膜、７：絶縁体膜、８：絶縁層、
９：上電極、１０：下電極、１１：薄膜、１２：配線電
極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性基板上に形成した一対の電極と、
該電極間に配置された微粒子から成る膜状の電子放出部
材と、これに通電することにより形成される電子放出部
とを備えた電子放出素子において、少なくとも電子放出
部材と接する基板表面に複数の突起を有することを特徴
とする電子放出素子。
【請求項２】前記突起の高さが、前記微粒子の粒径の
１〜１０倍であることを特徴とする請求項１記載の電子
放出素子。
【請求項３】前記電子放出部材と接する基板の表面積
が、対面積比で１．５倍以上あることを特徴とする請求
項１または２記載の電子放出素子。