JPH09293448A - 電子放出素子及び電子源及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子放出素子の電子放出特性のばらつきを無
くし、均一な特性を持つ電子源、及び、均一な輝度で動
作安定性に優れた画像形成装置を提供する。 【解決手段】 絶縁性基板１０上に、対向して設けられ
た一対の素子電極４，５と、該素子電極４，５間に設け
られた、電子放出部７を有する導電性薄膜６と、を有す
る電子放出素子において、前記絶縁性基板１０が、活性
化抑制層２と、該層上に積層して形成された活性化促進
層３とを有することを特徴とする電子放出素子。また、
前記絶縁性基板１０は、基体１上に、良熱伝導性絶縁物
から成る活性化抑制層２と、該層よりも熱伝導性の低い
活性化促進層３とを、順に積層して形成したことを特徴
とする電子放出素子でもある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子、該
電子放出素子を用いた電子源、該電子源を用いた画像形
成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電子放出素子としては、大別
して熱電子放出素子と冷陰極電子放出素子を用いた２種
類のものが知られている。冷陰極電子放出素子には電界
放出型（以下、「ＦＥ型」という。）、金属／絶縁層／
金属型（以下、「ＭＩＭ型」という。）や、表面伝導型
電子放出素子等がある。

【０００３】ＦＥ型の例としては、Ｗ．Ｐ．Ｄｙｋｅ＆
Ｗ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ、”Ｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏ
ｎ”、Ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ、８、８９（１９５６）、あるいは、Ｃ．
Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，”ＰＨＹＳＩＣＡＬ Ｐｒｏｐｅｒ
ｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｆｉｅｌｄ ｅ
ｍｉｓｓｉｏｎ ｃａｔｈｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｌ
ｙｂｄｅｎｉｕｍ ｃｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．，４７，５２４８（１９７６）等に開示されたも
のが知られている。

【０００４】ＭＩＭ型の例としては、Ｃ．Ａ．Ｍｅａ
ｄ、”Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ−Ｅｍ
ｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ”、Ｊ．Ａｐｐｌｙ．Ｐ
ｈｙｓ．、３２、６４６（１９６１）等に開示されたも
のが知られている。

【０００５】表面伝導型電子放出素子型の例としては、
Ｍ．Ｉ．Ｅｌｉｎｓｏｎ、Ｒａｄｉｏ Ｅｎｇ．Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ Ｐｙｓ．、１０、１２９０，（１９６５）
等に開示されたものがある。表面伝導型電子放出素子
は、基板上に形成された小面積の薄膜に、膜面に平行に
電流を流すことにより、電子放出が生ずる現象を利用す
るものである。この表面伝導型電子放出素子としては、
前記エリンソン等によるＳｎＯ₂ 薄膜を用いたもの、Ａ
ｕ薄膜によるもの［Ｇ．Ｄｉｔｔｍｅｒ：”Ｔｈｉｎ
Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ”、９、３１７（１９７
２）］、Ｉｎ₂ Ｏ₃ ／ＳｎＯ₂ 薄膜によるもの［Ｍ．Ｈ
ａｒｔｗｅｌｌ 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】表面伝導型電子放出素子の構成の一例を図
１４に模式的に示す。図１４（ａ）は模式的平面図、
（ｂ）は模式的断面図である。同図において１は基板で
ある。６は導電性薄膜であり後述の通電フォーミングと
呼ばれる通電処理により電子放出部７が形成される。

【０００７】表面伝導型電子放出素子においては、電子
放出を行う前に導電性薄膜６を予め通電フォーミングと
呼ばれる通電処理によって電子放出部７を形成するのが
一般的であった。即ち、通電フォーミングとは前記導電
性薄膜６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／分程度を印加通電するか、あるいはパル
ス電圧を印加通電し、導電性薄膜を局所的に破壊、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７を形成することである。尚、電子放出部７は導
電性薄膜６の一部に亀裂などの構造の変化が発生しその
亀裂などの付近から電子放出が行われる。さらに放出電
流量を増加させるために炭化水素系の気体中で通電し、
活性化処理を行う。通電フォーミング処理、および活性
化処理をした表面伝導型電子放出素子は、上述導電性薄
膜６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７より電子を放出せしめるものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】電子放出素子について
は、電子放出素子を適用した画像形成装置が明るい表示
画像を安定して提供できるように、更に安定な電子放出
特性及び電子放出の効率向上が要望されている。ここで
の効率は、表面伝導型電子放出素子の一対の素子電極に
電圧を印加した際に、両電極間を流れる電流（以下、
「素子電流」という。）と真空中に放出される電流（以
下、「電子放出電流」という。）との比で評価されるも
のであり、素子電流が小さく、放出電流が大きい電子放
出素子が望まれている。安定的に制御し得る電子放出特
性と効率の向上がなされれば、例えば蛍光体を画像形成
部材とする画像形成装置においては、低電流で明るい高
品位な画像形成装置、例えばフラットテレビが実現でき
る。また、低電流化にともない、画像形成装置を構成す
る駆動回路等のロ−コスト化も図れる。

【０００９】しかしながら、表面伝導型電子放出素子の
放出電流量は図２に示したように活性化時間が長くなる
とかえって減少する。個々の表面伝導型電子放出素子は
初期放出電流が全く均一とはいえず、また場所により活
性化中のガス圧が異なるなどの原因により、個々の素子
は異なる活性化特性を示す。すなわち、同一時間活性化
を行った場合には素子により効率のばらつきを有するこ
とになる。そこで複数の表面伝導型電子放出素子を使用
して、電子源、あるいは画像形成装置を構成した場合、
個々の電子放出素子の効率が揃っていないと電子放出量
が位置で変化したり輝度むらを生じるという問題があっ
た。

【００１０】［発明の目的］本発明の目的は、複数の電
子放出素子の電子放出特性が均一な電子源を提供すると
ともに、これを用いた、均一な輝度で動作安定性に優れ
た画像形成装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、上述
した課題を解決するための手段として、絶縁性基板上
に、対向して設けられた一対の素子電極と、該素子電極
間に設けられた、電子放出部を有する導電性薄膜と、を
有する電子放出素子において、前記絶縁性基板が、活性
化抑制層と、該層上に積層して形成された活性化促進層
とを有することを特徴とする電子放出素子を提供するも
のである。

【００１２】また、前記活性化抑制層が、良熱伝導性絶
縁物であることを特徴とする電子放出素子でもある。

【００１３】また、前記活性化促進層が、ガラスである
ことを特徴とする電子放出素子でもある。

【００１４】また、前記絶縁性基板は、基体上に、良熱
伝導性絶縁物から成る活性化抑制層と、該層よりも熱伝
導性の低い活性化促進層とを、順に積層して形成したこ
とを特徴とする電子放出素子でもある。

【００１５】また、前記導電性薄膜が、微粒子集合体で
あることを特徴とする電子放出素子でもある。

【００１６】また、前記電子放出素子が、表面伝導型電
子放出素子であることを特徴とする電子放出素子でもあ
る。

【００１７】本発明は、また、上記の電子放出素子を、
複数個並列に配置し結線してなる素子列を、少なくとも
１列以上有し、各素子を駆動するための配線が、はしご
状に配置されていることを特徴とする電子源を、上記課
題を解決するための手段とするものである。

【００１８】また、上記電子放出素子を、Ｘ方向及びＹ
方向に行列状に複数個配置し、同じ行に配された複数の
前記電子放出素子の電極の一方は、Ｘ方向の配線に共通
に接続され、同じ列に配された複数の前記電子放出素子
の前記電極の他方は、Ｙ方向の配線に共通に接続されて
いることを特徴とする電子源でもある。

【００１９】本発明は、更にまた、上記電子源と、画像
形成部材とを、対向させて配し、入力信号に基づいて画
像を形成するようにしたことを特徴とする画像形成装置
を、上記課題を解決するための手段とするものでもあ
る。

【００２０】［作用］本発明によれば、良熱伝導性の活
性化抑制層上に活性化促進層を形成し、該活性化促進層
上に電子放出素子を形成することにより、活性化工程に
おいて、活性化過剰による特性の低下が抑制されるとと
もに、活性化が均一になるため、放出電流が均一な電子
放出素子を形成することができると思われる。

【００２１】また、この本発明の電子放出素子を複数個
配列した電子源においても、電子放出素子の位置による
電子放出特性のばらつきが少なく、電子放出特性が均一
な電子源を得ることができる。

【００２２】また、本発明の電子源を用いた画像形成装
置においては、輝度むらが少なく、均一な輝度で動作安
定性に優れた画像形成装置を得ることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】

［実施形態］以下、図面を参照しながら本発明の実施形
態を説明する。

【００２４】図１は、本発明を適用可能な表面伝導型電
子放出素子の構成を示す模式図であり、図１（ａ）は模
式的平面図、図１（ｂ）は模式的断面図である。図１に
おいて、１は基体、２は基体１上に形成された活性化抑
制層、３は活性化抑制層上に形成した活性化促進層、４
および５は素子電極、６は導電性薄膜、７は電子放出部
である。また、１０は、活性化抑制層及び活性化促進層
が形成された基板を示す。

【００２５】基体１としては、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，アルミナ等
のセラミックス及びＳｉ基板等を用いることができる。

【００２６】活性化抑制層２として、酸化アルミニウ
ム、酸化タンタル、酸化チタン等の酸化物や窒化シリコ
ン、窒化アルミニウム、窒化タンタル等の窒化物など
の、良熱伝導性絶縁物を用いることができる。

【００２７】また活性化促進層３としては、ＳｉＯ₂ 、
ＳｉＯ₂ を主成分とするガラスなどが好ましい。活性化
促進層は電気的絶縁材料である必要がある。

【００２８】また、活性化促進層と、該層よりも良熱伝
導性の活性化抑制層とを積層することを特徴とする。

【００２９】ここで、活性化工程とは、以下に詳しく説
明するが、フォーミング工程後、電子放出状態を形成す
る工程を言い、例えば、有機物質のガスを含有する雰囲
気下で、素子に対してパルス電圧の印加を繰り返すこと
で行うことができる。

【００３０】この処理により、雰囲気中に存在する有機
物質から、炭素あるいは炭素化合物が素子上に堆積し、
素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、著しく変化するように
なる。

【００３１】活性化促進層とは、この存在により活性化
が可能となるものであり、活性化抑制層とは、この層に
より活性化が起こらない、あるいは活性化の速度が遅く
なるものである。活性化しやすい、しにくいという現象
がどのような物性で決まっているかは明らかでないが、
熱伝導性が良く、熱が基板に逃げやすい材料において活
性化しにくという傾向がある。

【００３２】活性化抑制層２及び活性化促進層３の形成
方法としては、通常の薄膜形成法が適応できる。すなわ
ち、真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等
が用いられる。

【００３３】活性化抑制層２の厚みの上限はないと考え
られるが、活性化促進層３の厚さは、厚すぎると下層の
活性化抑制層の効果が隠されてしまうので、０．２ミク
ロン以下であることが望ましく、好ましくは０．１μｍ
以下が良い。

【００３４】対向する素子電極４、５の材料としては、
一般的な導体材料を用いることができる。これは例え
ば、Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ａｌ，
Ｃｕ，Ｐｄ等の金属或は合金及びＰｄ，Ａｇ，Ａｕ，Ｒ
ｕＯ₂ ，Ｐｄ−Ａｇ等の金属或は金属酸化物とガラス等
から構成される印刷導体、Ｉｎ₂ Ｏ₃ −ＳｎＯ₂ 等の透
明導電体及びポリシリコン等の半導体導体材料等から適
宜選択することができる。

【００３５】素子電極間隔Ｌ、素子電極長さＷ、導電性
薄膜６の形状等は、応用される形態等を考慮して、設計
される。

【００３６】素子電極間隔Ｌは、好ましく、数百ｎｍか
ら数百μｍの範囲とすることができ、より好ましくは、
素子電極間に印加する電圧等を考慮して数μｍから数十
μｍの範囲とすることができる。

【００３７】また、素子電極長さＷは、電極の抵抗値、
電子放出特性を考慮して、数μｍから数百μｍの範囲と
することができる。

【００３８】また、素子電極の膜厚ｄは、数十ｎｍから
数μｍの範囲とすることができる。

【００３９】導電性薄膜６には、良好な電子放出特性を
得るために、微粒子で構成された微粒子膜を用いるのが
好ましい。その膜厚は，素子電極４、５へのステップカ
バレージ、素子電極４、５間の抵抗値及び後述するフォ
ーミング条件等を考慮して適宜設定されるが、通常は、
１ｎｍから数百ｎｍの範囲とするのが好ましく、より好
ましくは１ｎｍより５０ｎｍの範囲とするのが良い。そ
の抵抗値は、Ｒｓが１０² から１０⁷ Ω／□の値であ
る。なおＲｓは、厚さがｔ、幅がｗで長さがｌの薄膜の
長さ方向に測定した抵抗Ｒを、Ｒ＝Ｒｓ（ｌ／ｗ）とお
いたときに現れる値である。

【００４０】本願明細書において、フォーミング処理に
ついては、通電処理を例に挙げて説明するが、フォーミ
ング処理はこれに限られるものではなく、膜に亀裂など
の構造の変化を生じさせて高抵抗状態を形成する処理を
包含するものである。

【００４１】導電性薄膜６を構成する材料は、Ｐｄ、Ｐ
ｔ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆ
ｅ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｂ等の金属、ＰｄＯ、Ｓ
ｎＯ₂、Ｉｎ₂ Ｏ₃ 、ＰｂＯ、Ｓｂ₂ Ｏ₃ 等の酸化物、
ＨｆＢ₂ 、ＺｒＢ₂ 、ＬａＢ₆、ＣｅＢ₆ 、ＹＢ₄ 、Ｇ
ｄＢ₄ 等の硼化物、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＴａＣ、
ＳｉＣ、ＷＣ等の炭化物、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ等の
窒化物、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体、カーボン等の中から適
宜選択される。

【００４２】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、その微細構造は、微粒子が個々に
分散配置した状態あるいは微粒子が互いに隣接、あるい
は重なり合った状態（いくつかの微粒子が集合し、全体
として島状構造を形成している場合も含む）をとってい
る。微粒子の粒径は、１ｎｍから数百ｎｍの範囲、好ま
しくは、１ｎｍから２０ｎｍの範囲である。

【００４３】なお、本明細書では頻繁に「微粒子」とい
う言葉を用いるので、その意味について説明する。

【００４４】小さな粒子を「微粒子」と呼び、これより
も小さなものを「超微粒子」と呼ぶ。「超微粒子」より
もさらに小さく原子の数が数百個程度以下のものを「ク
ラスター」と呼ぶことは広く行われている。

【００４５】しかしながら、それぞれの境は厳密なもの
ではなく、どの様な性質に注目して分類するかにより変
化する。また「微粒子」と「超微粒子」を一括して「微
粒子」と呼ぶ場合もあり、本明細書中での記述はこれに
沿ったものである。

【００４６】「実験物理学講座１４表面・微粒子」（木
下是雄 編、共立出版 １９８６年９月１日発行）では
次のように記述されている。

【００４７】「本稿で微粒子と言うときにはその直径が
だいたい２〜３μｍ程度から１０ｎｍ程度までとし、特
に超微粒子というときは粒径が１０ｎｍ程度から２〜３
ｎｍ程度までを意味することにする。両者を一括して単
に微粒子と書くこともあってけっして厳密なものではな
く、だいたいの目安である。粒子を構成する原子の数が
２個から数十〜数百個程度の場合はクラスターと呼
ぶ。」（１９５ページ ２２〜２６行目）。

【００４８】付言すると、新技術開発事業団の”林・超
微粒子プロジェクト’での「超微粒子」の定義は、粒径
の下限はさらに小さく、次のようなものであった。

【００４９】「創造科学技術推進制度の”超微粒子プロ
ジェクト”（１９８１〜１９８６）では、粒子の大きさ
（径）がおよそ１〜１００ｎｍの範囲のものを”超微粒
子”（ｕｌｔｒａ ｆｉｎｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼
ぶことにした。すると１個の超微粒子はおよそ１００〜
１０⁸ 個くらいの原子の集合体ということになる。原子
の尺度でみれば超微粒子は大〜巨大粒子である。」
（「超微粒子−創造科学技術−」林主税、上田良二、田
崎明 編；三田出版 １９８８年 ２ページ１〜４行
目）「超微粒子よりさらに小さいもの、すなわち原子が
数個〜数百個で構成される１個の粒子は、ふつうクラス
ターと呼ばれる」（同書２ページ１２〜１３行目）。

【００５０】上記のような一般的な呼び方をふまえて、
本明細書において「微粒子」とは多数の原子・分子の集
合体で、粒径の下限は０．１ｎｍの数倍〜１ｎｍ程度、
上限は数μｍ程度のものを指すこととする。

【００５１】電子放出部７は、導電性薄膜６の一部に形
成された高抵抗の亀裂などにより構成され、導電性薄膜
６の膜厚、膜質、材料及び後述する通電フォーミング等
の手法等に依存したものとなる。電子放出部７の内部に
は、十分の数ｎｍから数十ｎｍの範囲の粒径の導電性微
粒子が存在する場合もある。この導電性微粒子は、導電
性薄膜６を構成する材料の元素の一部、あるいは全ての
元素を含有するものとなる。電子放出部７及びその近傍
の導電性薄膜６には、炭素及び炭素化合物を有すること
もできる。

【００５２】上述の表面伝導型電子放出素子の製造方法
としては様々な方法があるが、その一例を図１１に模式
的に示す。

【００５３】以下、図１及び図１１を参照しながら製造
方法の一例について説明する。図１１においても、図１
に示した部位と同じ部位には図１に付した符号と同一の
符号を付している。

【００５４】１）基体１を洗剤、純水および有機溶剤等
を用いて十分に洗浄し，その表面に活性化抑制層２およ
び活性化促進層３を真空蒸着法、スパッタ法等により堆
積する。次に真空蒸着法、スパッタ法等により素子電極
材料を堆積後，例えばフォトリソグラフィー技術を用い
て基板上に素子電極４、５を形成する（図１１
（ａ））。

【００５５】２）素子電極４、５を設けた基板に、有機
金属溶液を塗布して、有機金属薄膜を形成する。

【００５６】有機金属溶液には、前述の導電性膜６の材
料の金属を主元素とする有機金属化合物の溶液を用いる
ことができる。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、導電性薄膜
６を形成する（図１１（ｂ））。

【００５７】ここでは、有機金属溶液の塗布法を挙げて
説明したが、導電性薄膜６の形成法はこれに限られるも
のでなく、真空蒸着法、スパッタ法、化学的気相堆積
法、分散塗布法、ディッピング法、スピンナー法等を用
いることもできる。

【００５８】３）つづいて、フォーミング工程を施す。
このフォーミング工程の方法の一例として通電処理によ
る方法を説明する。素子電極４、５間に、不図示の電源
を用いて、通電を行うと、導電性薄膜６の部位に、構造
の変化した電子放出部７が形成される。

【００５９】通電フォーミングによれば導電性薄膜６に
局所的に破壊、変形もしくは変質等の構造の変化した部
位が形成される。該部位が電子放出部７を構成する。

【００６０】通電フォーミングの電圧波形の例を図３に
示す。電圧波形は、パルス波形が、好ましい。これには
パルス波高値を定電圧としたパルスを連続的に印加する
図３（ａ）に示した手法と、パルス波高値を増加させな
がら、電圧パルスを印加する図３（ｂ）に示した手法が
ある。

【００６１】図３（ａ）におけるＴ１及びＴ２は電圧波
形のパルス幅とパルス間隔である。通常Ｔ１は１マイク
ロ秒〜１０ミリ秒、Ｔ２は、１０マイクロ秒〜１００ミ
リ秒の範囲で設定される。三角波の波高値（通電フォー
ミング時のピーク電圧）は、表面伝導型電子放出素形態
に応じて適宜選択される。このような条件のもと、例え
ば、数秒から数十分間電圧を印加する。パルス波形は三
角波に限定されるものではなく、矩形波など所望の波形
を採用することができる。

【００６２】図３（ｂ）におけるＴ１及びＴ２は、図３
（ａ）に示したのと同様とすることができる。三角波の
波高値（通電フォーミング時のピーク電圧）は、例えば
０．１Ｖステップ程度づつ、増加させることができる。

【００６３】通電フォーミング処理の終了は、パルス間
隔Ｔ２中に、導電性薄膜２を局所的に破壊、変形しない
程度の電圧を印加し、電流を測定して検知することがで
きる。例えば０．１Ｖ程度の電圧印加により流れる素子
電流を測定し、抵抗値を求めて、１ＭΩ以上の抵抗を示
した時、通電フォーミングを終了させる。

【００６４】４）フォーミングを終えた素子には活性化
工程と呼ばれる処理を施す。活性化工程とは、この工程
により、素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、著しく変化す
る工程である。

【００６５】活性化工程は、例えば、有機物質のガスを
含有する雰囲気下で、通電フォーミングと同様に、パル
スの印加を繰り返すことで行うことができる。この雰囲
気は、例えば油拡散ポンプやロータリーポンプなどを用
いて真空容器内を排気した場合に雰囲気内に残留する有
機ガスを利用して形成することができる他、イオンポン
プなどにより一旦十分に排気した真空中に適当な有機物
質のガスを導入することによっても得られる。このとき
の好ましい有機物質のガス圧は、前述の応用の形態、真
空容器の形状や、有機物質の種類などにより異なるため
場合に応じ適宜設定される。適当な有機物質としては、
アルカン、アルケン、アルキンの脂肪族炭化水素類、芳
香族炭化水素類、アルコール類、アルデヒド類、ケトン
類、アミン類、フェノール、カルボン、スルホン酸等の
有機酸類等を挙げることが出来、具体的には、メタン、
エタン、プロパンなどＣ_n Ｈ_2n+2で表される飽和炭化水
素、エチレン、プロピレンなどＣ_n Ｈ_2n等の組成式で表
される不飽和炭化水素、ベンゼン、トルエン、メタノー
ル、エタノール、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒ
ド、アセトン、メチルエチルケトン、メチルアミン、エ
チルアミン、フェノール、蟻酸、酢酸、プロピオン酸等
が使用できる。この処理により、雰囲気中に存在する有
機物質から、炭素あるいは炭素化合物が素子上に堆積
し、素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、著しく変化するよ
うになる。

【００６６】活性化工程の終了判定は、素子電流Ｉｆと
放出電流Ｉｅを測定しながら、適宜行う。なおパルス
幅、パルス間隔、パルス波高値などは適宜設定される。

【００６７】炭素及び炭素化合物とは、例えばグラファ
イト（いわゆるＨＯＰＧ、ＰＧ、ＧＣを包含する、ＨＯ
ＰＧは、ほぼ完全なグラファイトの結晶構造、ＰＧは結
晶粒が２０ｎｍ程度で結晶構造がやや乱れたもの、ＧＣ
は結晶粒が２ｎｍ程度になり結晶構造の乱れがさらに大
きくなったものを指す。）、非晶質カーボン（アモルフ
ァスカーボン及び、アモルファスカーボンと前記グラフ
ァイトの微結晶の混合物を指す）であり、その膜厚は、
５０ｎｍ以下の範囲とするのが好ましく、３０ｎｍ以下
の範囲とすることがより好ましい。

【００６８】５）このような工程を経て得られた電子放
出素子は、安定化工程を行うことが好ましい。この工程
は、真空容器内の有機物質を排気する工程である。真空
容器を排気する真空排気装置は、装置から発生するオイ
ルが素子の特性に影響を与えないように、オイルを使用
しないものを用いるのが好ましい。具体的には、ソープ
ションポンプ、イオンポンプ、クライオポンプ等の真空
排気装置を挙げることが出来る。

【００６９】前記活性化の工程で、排気装置として油拡
散ポンプやロータリーポンプを用い、これから発生する
オイル成分に由来する有機ガスを用いた場合は、この成
分の分圧を極力低く抑える必要がある。真空容器内の有
機成分の分圧は、上記の炭素及び炭素化合物がほぼ新た
に堆積しない分圧で１×１０^-5Ｐａ以下が好ましく、さ
らには１×１０^-7Ｐａ以下が特に好ましい。さらに真空
容器内を排気するときには、真空容器全体を加熱して、
真空容器内壁や、電子放出素子に吸着した有機物質分子
を排気しやすくするのが好ましい。このときの加熱条件
は、８０〜４００℃で、できるだけ長時間処理するのが
望ましいが、特にこの条件に限るものではなく、真空容
器の大きさや形状、電子放出素子の構成などの諸条件に
より適宜選ばれる条件により行う。真空容器内の圧力は
極力低くすることが必要で、１×１０^-5Ｐａ以下が好ま
しく、さらに１×１０^-6Ｐａ以下が特に好ましい。

【００７０】安定化工程を行った後の、駆動時の雰囲気
は、上記安定化処理終了時の雰囲気を維持するのが好ま
しいが、これに限るものではなく、有機物質が十分除去
されていれば、真空度自体は多少低下しても十分安定な
特性を維持することが出来る。

【００７１】このような真空雰囲気を採用することによ
り、新たな炭素あるいは炭素化合物の堆積を抑制でき、
結果として素子電流Ｉｆ、放出電流Ｉｅが、安定する。
上述した工程を経て得られた本発明を適用可能な電子放
出素子の基本特性について図４、図５を参照しながら説
明する。図４は、真空処理装置の一例を示す模式図であ
り、この真空処理装置は測定評価装置としての機能をも
兼ね備えている。図４においても、図１に示した部位と
同じ部位には図１に付した符号と同一の符号を付してい
る。図４において、４５は真空容器であり、４６は排気
ポンプである。真空容器４５内には電子放出素子が配さ
れている。即ち、１は電子放出素子を構成する基体であ
り、４及び５は素子電極、６は導電性薄膜、７は電子放
出部である。４１は、電子放出素子に素子電圧Ｖｆを印
加するための電源、４０は素子電極４、５間の導電性薄
膜６を流れる素子電流Ｉｆを測定するための電流計、４
４は素子の電子放出部より放出される放出電流Ｉｅを捕
捉するためのアノード電極である。４３はアノード電極
４４に電圧を印加するための高圧電源、４２は素子の電
子放出部７より放出される放出電流Ｉｅを測定するため
の電流計である。一例として、アノード電極の電圧を１
ｋＶ〜１０ｋＶの範囲とし、アノード電極と電子放出素
子との距離Ｈを２ｍｍ〜８ｍｍの範囲として測定を行う
ことができる。

【００７２】真空容器４５内には、不図示の真空計等の
真空雰囲気下での測定に必要な機器が設けられていて、
所望の真空雰囲気下での測定評価を行えるようになって
いる。排気ポンプ４６は、ターボポンプ、ロータリーポ
ンプからなる通常の高真空装置系と更に、イオンポンプ
等からなる超高真空装置系とにより構成されている。こ
こに示した電子源基板を配した真空処理装置の全体は、
不図示のヒーターにより加熱できる。従って、この真空
処理装置を用いると、前述の通電フォーミング以降の工
程も行うことができる。

【００７３】図５は、図４に示した真空処理装置を用い
て測定された放出電流Ｉｅ、素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖ
ｆの関係を模式的に示した図である。図５においては、
放出電流Ｉｅが素子電流Ｉｆに比べて著しく小さいの
で、任意単位で示している。なお。縦・横軸ともリニア
スケールである。

【００７４】図５からも明らかなように、本発明を適用
した表面伝導型電子放出素子は、放出電流Ｉｅに関して
三つの特徴的性質を有する。

【００７５】即ち、（ｉ）本素子は、ある電圧（しきい
値電圧と呼ぶ、図５中のＶｔｈ）以上の素子電圧を印加
すると急激に放出電流Ｉｅが増加し、一方しきい値電圧
Ｖｔｈ以下では放出電流Ｉｅがほとんど検出されない。
つまり、放出電流Ｉｅに対する明確なしきい値電圧Ｖｔ
ｈを持った非線形素子である。 （ｉｉ）放出電流Ｉｅが素子電圧Ｖｆに単調増加依存す
るため、放出電流Ｉｅは素子電圧Ｖｆで制御できる。 （ｉｉｉ）アノード電極４４に捕捉される放出電荷は、
素子電圧Ｖｆを印加する時間に依存する。つまり、アノ
ード電極４４に捕捉される電荷量は、素子電圧Ｖｆを印
加する時間により制御できる。

【００７６】以上の説明より理解されるように、本発明
を適用した表面伝導型電子放出素子は、入力信号に応じ
て、電子放出特性を容易に制御できることになる。この
性質を利用すると、複数の電子放出素子を配して構成し
た電子源、画像形成装置等、多方面への応用が可能とな
る。

【００７７】本発明の電子放出素子の応用例について以
下に述べる。本発明を適用した表面伝導型電子放出素子
の複数個を基板上に配列し、例えば、電子源あるいは、
画像形成装置が構成できる。

【００７８】電子放出素子の配列については、種々のも
のが採用できる。一例として、図６に示すように並列に
配置した多数の電子放出素子の個々を両端で接続し、電
子放出素子の行を多数配し（行方向と呼ぶ）、この配線
と直交する方向（列方向と呼ぶ）で、該電子放出素子の
上方に配した制御電極（グリッドとも呼ぶ）により、電
子放出素子からの電子を制御駆動するはしご状配置のも
のがある。これとは別に、電子放出素子をＸ方向及びＹ
方向に行列状に複数個配し、同じ行に配された複数の電
子放出素子の電極の一方を、Ｘ方向の配線に共通に接続
し、同じ列に配された複数の電子放出素子の電極の他方
を、Ｙ方向の配線に共通に接続するものが挙げられる。
このようなものは所謂単純マトリクス配置である。

【００７９】単純マトリクス配置について以下に詳述す
る。本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子につい
ては、前述したとおり（ｉ）乃至（ｉｉｉ）の特性があ
る。即ち、表面伝導型電子放出素子からの放出電子は、
しきい値電圧以上では、対向する素子電極間に印加する
パルス状電圧の波高値と巾で制御できる。一方、しきい
値電圧以下では、殆ど放出されない。この特性によれ
ば、多数の電子放出素子を配置した場合においても、個
々の素子に、パルス状電圧を適宜印加すれば、入力信号
に応じて、表面伝導型電子放出素子を選択して電子放出
量を制御できる。

【００８０】以下この原理に基づき、本発明を適用可能
な電子放出素子を複数配して得られる電子源基板につい
て、図７を用いて説明する。図７において、７１は電子
源基板、７２はＸ方向配線、７３はＹ方向配線である。
７４は表面伝導型電子放出素子、７５は結線である。

【００８１】ｍ本のＸ方向配線７２は、Ｄｘ１、Ｄｘ
２、．．Ｄｘｍからなり、真空蒸着法、印刷法、スパッ
タ法等を用いて形成された導電性金属等で構成すること
ができる。配線の材料、膜厚、幅は、適宜設計される。

【００８２】Ｙ方向配線７３は、Ｄｙ１、Ｄｙ２．．Ｄ
ｙｎのｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線７２と同様に形
成される。これらｍ本のＸ方向配線７２とｎ本のＹ方向
配線７３との間には、不図示の層間絶縁層が設けられて
おり、両者を電気的に分離している（ｍ、ｎは、共に正
の整数）。

【００８３】不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷
法、スパッタ法等を用いて形成されたＳｉＯ₂ 等で構成
される。例えば、Ｘ方向配線７２を形成した基板７１の
全面或は一部に所望の形状で形成され、特に、Ｘ方向配
線７２とＹ方向配線７３の交差部の電位差に耐え得るよ
うに、膜厚、材料、製法が、適宜設定される。Ｘ方向配
線７２とＹ方向配線７３は、それぞれ外部端子として引
き出されている。

【００８４】表面伝導型電子放出素子７４を構成する一
対の電極（不図示）は、ｍ本のＸ方向配線７２とｎ本の
Ｙ方向配線７３と導電性金属等からなる結線７５によっ
て電気的に接続されている。

【００８５】配線７２と配線７３を構成する材料、結線
７５を構成する材料及び一対の素子電極を構成する材料
は、その構成元素の一部あるいは全部が同一であって
も、またそれぞれ異なってもよい。これら材料は、例え
ば前述の素子電極の材料より適宜選択される。素子電極
を構成する材料と配線材料が同一である場合には、素子
電極に接続した配線は素子電極ということもできる。

【００８６】Ｘ方向配線７２には、Ｘ方向に配列した表
面伝導型電子放出素子７４の行を、選択するための走査
信号を印加する不図示の走査信号印加手段が接続され
る。一方、Ｙ方向配線７３には、Ｙ方向に配列した表面
伝導型電子放出素子７４の各列を入力信号に応じて、変
調するための不図示の変調信号発生手段が接続される。
各電子放出素子に印加される駆動電圧は、当該素子に印
加される走査信号と変調信号の差電圧として供給され
る。

【００８７】上記構成においては、単純なマトリクス配
線を用いて、個別の素子を選択し、独立に駆動可能とす
ることができる。このような単純マトリクス配置の電子
源を用いて構成した画像形成装置について、図８と図９
及び図１０を用いて説明する。図８は、画像形成装置の
表示パネルの一例を示す模式図であり、図９は、図８の
画像形成装置に使用される蛍光膜の模式図である。図１
０は、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示を行なう
ための駆動回路の一例を示すブロック図である。

【００８８】図８において、７１は電子放出素子を複数
配した電子源基板、８１は電子源基板７１を固定したリ
アプレート、８６はガラス基板８３の内面に蛍光膜８４
とメタルバック８５等が形成されたフェースプレートで
ある。８２は、支持枠であり該支持枠８２には、リアプ
レート８１、フェースプレート８６がフリットガラス等
を用いて接続されている。８８は外囲器であり、例えば
大気中あるいは、窒素中で、４００〜５００℃の温度範
囲で１０分以上焼成することで、封着して構成される。

【００８９】７４は、図１における電子放出素子に相当
する。７２、７３は、表面伝導型電子放出素子の一対の
素子電極と接続されたＸ方向配線及びＹ方向配線であ
る。

【００９０】外囲器８８は、上述の如く、フェースープ
レート８６、支持枠８２、リアプレート８１で構成され
る。リアプレート８１は主に基板７１の強度を補強する
目的で設けられるため、基板７１自体で十分な強度を持
つ場合は別体のリアプレート８１は不要とすることがで
きる。即ち、基板７１に直接支持枠８２を封着し、フェ
ースプレート８６、支持枠８２及び基板７１で外囲器８
８を構成しても良い。一方、フェースープレート８６、
リアプレート８１間に、スペーサーとよばれる不図示の
支持体を設置することにより、大気圧に対して十分な強
度をもつ外囲器８８を構成することもできる。

【００９１】図９は、蛍光膜を示す模式図である。蛍光
膜８４は、モノクロームの場合は蛍光体のみから構成す
ることができる。カラーの蛍光膜の場合は、蛍光体の配
列によりブラックストライプあるいはブラックマトリク
スなどと呼ばれる黒色導電材９１と蛍光体９２とから構
成することができる。ブラックストライプ、ブラックマ
トリクスを設ける目的は、カラー表示の場合、必要とな
る三原色蛍光体の各蛍光体９２間の塗り分け部を黒くす
ることで混色等を目立たなくすることと、蛍光膜８４に
おける外光反射によるコントラストの低下を抑制するこ
とにある。ブラックストライプの材料としては、通常用
いられている黒鉛を主成分とする材料の他、導電性があ
り、光の透過及び反射が少ない材料を用いることができ
る。

【００９２】ガラス基板８３に蛍光体を塗布する方法
は、モノクローム、カラーによらず、沈澱法、印刷法等
が採用できる。蛍光膜８４の内面側には、通常メタルバ
ック８５が設けられる。メタルバックを設ける目的は、
蛍光体の発光のうち内面側への光をフェースプレート８
６側へ鏡面反射させることにより輝度を向上させるこ
と、電子ビーム加速電圧を印加するための電極として作
用させること、外囲器内で発生した負イオンの衝突によ
るダメージから蛍光体を保護すること等である。メタル
バックは、蛍光膜作製後、蛍光膜の内面側表面の平滑化
処理（通常、「フィルミング」と呼ばれる。）を行い、
その後Ａｌを真空蒸着等を用いて堆積させることで作製
できる。

【００９３】フェースプレート８６には、更に蛍光膜８
４の導電性を高めるため、蛍光膜８４の外面側に透明電
極（不図示）を設けてもよい。

【００９４】前述の封着を行う際には、カラーの場合は
各色蛍光体と電子放出素子とを対応させる必要があり、
十分な位置合わせが不可欠となる。

【００９５】図８に示した画像形成装置は、例えば以下
のようにして製造される。外囲器８８は、前述の安定化
工程と同様に、適宜加熱しながら、イオンポンプ、ソー
プションポンプ、ターボポンプ、クライオポンプなどの
オイルを使用しない排気装置により不図示の排気管を通
じて排気し、１０^-5Ｐａ程度の真空度の有機物質の十分
少ない雰囲気にした後、封止が成される。外囲器８８の
封止後の真空度を維持するために、ゲッター処理を行な
うこともできる。これは、外囲器８８の封止を行う直前
あるいは封止後に、抵抗加熱あるいは高周波加熱等を用
いた加熱により、外囲器８８内の所定の位置（不図示）
に配置されたゲッターを加熱し、蒸着膜を形成する処理
である。ゲッターは通常Ｂａ等が主成分であり、該蒸着
膜の吸着作用により、たとえば１×１０^-5ないしは１×
１０^-6Ｐａの真空度を維持するものである。ここで、表
面伝導型電子放出素子のフォーミング処理以降の工程
は、適宜設定できる。

【００９６】次に、単純マトリクス配置の電子源を用い
て構成した表示パネルに、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に
基づいたテレビジョン表示を行う為の駆動回路の構成例
について、図１０を用いて説明する。図１０において、
１０１は画像表示パネル、１０２は走査回路、１０３は
制御回路、１０４はシフトレジスタである。１０５はラ
インメモリ、１０６は同期信号分離回路、１０７は変調
信号発生器、ＶｘおよびＶａは直流電圧源である。

【００９７】表示パネル１０１は、端子Ｄｏｘ１乃至Ｄ
ｏｘｍ、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎ、及び高圧端子Ｈｖ
を介して外部の電気回路と接続している。端子Ｄｏｘ１
乃至Ｄｏｘｍには、表示パネル内に設けられている電子
源、即ち、Ｍ行Ｎ列の行列状にマトリクス配線された表
面伝導型電子放出素子群を一行（Ｎ素子）ずつ順次駆動
する為の走査信号が印加される。

【００９８】端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎには、前記走査
信号により選択された一行の表面伝導型電子放出素子の
各素子の出力電子ビームを制御する為の変調信号が印加
される。高圧端子Ｈｖには、直流電圧源Ｖａより、例え
ば１０ｋ［Ｖ］の直流電圧が供給されるが、これは表面
伝導型電子放出素子から放出される電子ビームに蛍光体
を励起するのに十分なエネルギーを付与する為の加速電
圧である。

【００９９】走査回路１０２について説明する。同回路
は、内部にＭ個のスイッチング素子を備えたもので（図
中、Ｓ１ないしＳｍで模式的に示している）ある。各ス
イッチング素子は、直流電圧源Ｖｘの出力電圧もしくは
０［Ｖ］（グランドレベル）のいずれか一方を選択し、
表示パネル１０１の端子Ｄｏｘ１ないしＤｏｘｍと電気
的に接続される。Ｓ１乃至Ｓｍの各スイッチング素子
は、制御回路１０３が出力する制御信号Ｔｓｃａｎに基
づいて動作するものであり、例えばＦＥＴのようなスイ
ッチング素子を組み合わせることにより構成することが
できる。

【０１００】直流電圧源Ｖｘは、本例の場合には表面伝
導型電子放出素子の特性（電子放出しきい値電圧）に基
づき走査されていない素子に印加される駆動電圧が電子
放出しきい値電圧以下となるような一定電圧を出力する
よう設定されている。

【０１０１】制御回路１０３は、外部より入力する画像
信号に基づいて適切な表示が行なわれるように各部の動
作を整合させる機能を有する。制御回路１０３は、同期
信号分離回路１０６より送られる同期信号Ｔｓｙｎｃに
基づいて、各部に対してＴｓｃａｎおよびＴｓｆｔおよ
びＴｍｒｙの各制御信号を発生する。

【０１０２】同期信号分離回路１０６は、外部から入力
されるＮＴＳＣ方式のテレビ信号から同期信号成分と輝
度信号成分とを分離する為の回路で、一般的な周波数分
離（フィルター）回路等を用いて構成できる。同期信号
分離回路１０６により分離された同期信号は、垂直同期
信号と水平同期信号より成るが、ここでは説明の便宜上
Ｔｓｙｎｃ信号として図示した。前記テレビ信号から分
離された画像の輝度信号成分は便宜上ＤＡＴＡ信号と表
した。該ＤＡＴＡ信号はシフトレジスタ１０４に入力さ
れる。

【０１０３】シフトレジスタ１０４は、時系列的にシリ
アルに入力される前記ＤＡＴＡ信号を、画像の１ライン
毎にシリアル／パラレル変換するためのもので、前記制
御回路１０３より送られる制御信号Ｔｓｆｔに基づいて
動作する（即ち、制御信号Ｔｓｆｔは、シフトレジスタ
１０４のシフトクロックであるということもでき
る。）。シリアル／パラレル変換された画像１ライン分
（電子放出素子Ｎ素子分の駆動データに相当）のデータ
は、Ｉｄ１乃至ＩｄｎのＮ個の並列信号として前記シフ
トレジスタ１０４より出力される。

【０１０４】ラインメモリ１０５は、画像１ライン分の
データを必要時間の間だけ記憶する為の記憶装置であ
り、制御回路１０３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに従
って適宜Ｉｄ１乃至Ｉｄｎの内容を記憶する。記憶され
た内容は、Ｉ’ｄ１乃至Ｉ’ｄｎとして出力され、変調
信号発生器１０７に入力される。

【０１０５】変調信号発生器１０７は、画像データＩ’
ｄ１乃至Ｉ’ｄｎの各々に応じて表面伝導型電子放出素
子の各々を適切に駆動変調する為の信号源であり、その
出力信号は、端子Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを通じて表示パ
ネル１０１内の表面伝導型電子放出素子に印加される。

【０１０６】前述したように、本発明を適用可能な電子
放出素子は放出電流Ｉｅに対して以下の基本特性を有し
ている。即ち、電子放出には明確なしきい値電圧Ｖｔｈ
があり、Ｖｔｈ以上の電圧を印加された時のみ電子放出
が生じる。電子放出しきい値以上の電圧に対しては、素
子への印加電圧の変化に応じて放出電流も変化する。こ
のことから、本素子にパルス状の電圧を印加する場合、
例えば電子放出閾値以下の電圧を印加しても電子放出は
生じないが、電子放出閾値以上の電圧を印加する場合に
は電子ビームが出力される。その際、パルスの波高値Ｖ
ｍを変化させる事により出力電子ビームの強度を制御す
ることが可能である。また、パルスの幅Ｐｗを変化させ
ることにより出力される電子ビームの電荷の総量を制御
する事が可能である。

【０１０７】従って、入力信号に応じて、電子放出素子
を変調する方式としては、電圧変調方式、パルス幅変調
方式等が採用できる。電圧変調方式を実施するに際して
は、変調信号発生器１０７として、一定長さの電圧パル
スを発生し、入力されるデータに応じて適宜パルスの波
高値を変調するような電圧変調方式の回路を用いること
ができる。

【０１０８】パルス幅変調方式を実施するに際しては、
変調信号発生器１０７として、一定の波高値の電圧パル
スを発生し、入力されるデータに応じて適宜電圧パルス
の幅を変調するようなパルス幅変調方式の回路を用いる
ことができる。

【０１０９】シフトレジスタ１０４やラインメモリ１０
５は、デジタル信号式のものもアナログ信号式のものも
採用できる。画像信号のシリアル／パラレル変換や記憶
が所定の速度で行なわれれば良いからである。

【０１１０】デジタル信号式を用いる場合には、同期信
号分離回路１０６の出力信号ＤＡＴＡをデジタル信号化
する必要があるが、これには１０６の出力部にＡ／Ｄ変
換器を設ければ良い。これに関連してラインメモリ１０
５の出力信号がデジタル信号かアナログ信号かにより、
変調信号発生器１０７に用いられる回路が若干異なった
ものとなる。即ち、デジタル信号を用いた電圧変調方式
の場合、変調信号発生器１０７には、例えばＤ／Ａ変換
回路を用い、必要に応じて増幅回路などを付加する。パ
ルス幅変調方式の場合、変調信号発生器１０７には、例
えば高速の発振器および発振器の出力する波数を計数す
る計数器（カウンタ）及び計数器の出力値と前記メモリ
の出力値を比較する比較器（コンパレータ）を組み合せ
た回路を用いる。必要に応じて、比較器の出力するパル
ス幅変調された変調信号を表面伝導型電子放出素子の駆
動電圧にまで電圧増幅するための増幅器を付加すること
もできる。

【０１１１】アナログ信号を用いた電圧変調方式の場
合、変調信号発生器１０７には、例えばオペアンプなど
を用いた増幅回路を採用でき、必要に応じてレベルシフ
ト回路などを付加することもできる。パルス幅変調方式
の場合には、例えば、電圧制御型発振回路（ＶＣＯ）を
採用でき、必要に応じて表面伝導型電子放出素子の駆動
電圧まで電圧増幅するための増幅器を付加することもで
きる。

【０１１２】このような構成をとり得る本発明の適用可
能な画像表示装置においては、各電子放出素子に、容器
外端子Ｄｏｘ１乃至Ｄｏｘｍ、Ｄｏｙ１乃至Ｄｏｙｎを
介して電圧を印加することにより、電子放出が生ずる。
高圧端子Ｈｖを介してメタルバック８５、あるいは透明
電極（不図示）に高圧を印加し、電子ビームを加速す
る。加速された電子は、蛍光膜８４に衝突し、発光が生
じて画像が形成される。

【０１１３】ここで述べた画像形成装置の構成は、本発
明を適用可能な画像形成装置の一例であり、本発明の技
術思想に基づいて種々の変形が可能である。入力信号に
ついては、ＮＴＳＣ方式を挙げたが入力信号はこれに限
られるものではなく、ＰＡＬ、ＳＥＣＡＭ方式などの
他、これよりも、多数の走査線からなるＴＶ信号（例え
ば、ＭＵＳＥ方式をはじめとする高品位ＴＶ）方式をも
採用できる。

【０１１４】本発明の画像形成装置は、テレビジョン放
送の表示装置、テレビ会議システムやコンピューター等
の表示装置の他、感光性ドラム等を用いて構成された光
プリンターとしての画像形成装置等としても用いること
ができる。

【０１１５】

【実施例】以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳し
く説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるもの
ではなく、本発明の目的が達成される範囲内での各要素
の置換や設計変更がなされたものをも包含する。

【０１１６】（実施例１）本実施例に用いた素子は、図
１と同様な構造を持つもので、１枚の基板に４８個の素
子を１列に並べて形成したものである。電子放出素子の
製造プロセスを図１１を用いて説明する。

【０１１７】工程−ａ 清浄化した青板ガラス上に活性化抑制層２として厚さ２
μｍの酸化アルミニウム膜をスパッタリング法で成膜し
たのち、活性化促進層３としてシリコン酸化膜をスパッ
タリング法により形成した。シリコン酸化膜の厚みをそ
れぞれ０．１μｍ、０．０５μｍ、０．０１μｍとした
３種類の基板（試料ａ、ｂ、ｃ）を用意した。

【０１１８】工程−ｂ 基板に、電極のパターンに対応する開口部を有するホト
レジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１；日立化成社製）の
マスクパターンを形成し、真空蒸着法により厚さ５ｎｍ
のＴｉ、厚さ１００ｎｍのＰｔを順次積層。ホトレジス
トを有機溶剤で溶解しＰｔ／Ｔｉ膜をリフトオフして、
素子電極４、５を形成した。素子電極の間隔Ｌは３μ
ｍ、電極幅Ｗは３００μｍである（図１１（ａ））。

【０１１９】工程−ｃ 上記素子に厚さ１００ｎｍのＣｒ膜を真空蒸着法により
形成し、フォトリソグラフィー技術により、導電性薄膜
のパターンに対応する開口部を設け、導電性薄膜形成の
ためのＣｒマスクを形成する。

【０１２０】これに有機Ｐｄ溶液（ｃｃｐ４２３０；奥
野製薬（株）製）をスピンナーを用いて塗布、大気中で
３００℃１０分間の焼成処理を行いＰｄＯを主成分とす
る微粒子膜６を形成した。この膜の厚さは１０ｎｍであ
った。

【０１２１】工程−ｄ Ｃｒマスクをウェットエッチングで除去し、ＰｄＯ微粒
子膜をリフトオフすることにより所望の形状の導電性薄
膜６を得る。該導電性薄膜の抵抗値は、Ｒｓ＝２×１０
⁴ Ω／□であった（図１１（ｂ））。

【０１２２】工程−ｅ 基板１０を図４に模式的に示す装置の真空容器４５内に
設置し、排気装置４６により真空容器を排気して圧力を
１．３×１０^-3Ｐａとした。このとき用いた装置は、タ
ーボポンプとロータリーポンプからなるいわゆる高真空
用排気装置である。排気装置４６はこのほかに超高真空
用のイオンポンプを備えており、適宜切り替えて用いる
ことが出来る。

【０１２３】各素子に、駆動電源４１によりパルス電圧
を印加しフォーミング処理を行い、電子放出部を形成し
た。このときのパルス電圧の波形は、図３（ｂ）のよう
な、波高値の漸増する三角波パルスであり、パルス幅は
Ｔ１＝１ｍｓｅｃ．、パルス間隔はＴ２＝１０ｍｓｅ
ｃ．とした。また、フォーミング処理中は、フォーミン
グパルスの休止時間内に０．１Ｖの抵抗測定用パルスを
挿入し、抵抗値が１ＭΩを越えたところでフォーミング
処理を終了した。

【０１２４】終了時のパルスの波高値は、５．０〜５．
１Ｖであった。このときの真空容器内部の圧力は、２．
７×１０^-4Ｐａであった。

【０１２５】工程−ｆ 続いて活性化工程を行った。真空容器４５内は、イオン
ポンプにより、一旦、１０^-6Ｐａ程度に排気した後、ガ
ス発生装置４７と流量調整弁４８を制御してアセトンを
導入し圧力を２．７×１０^-1Ｐａとなるように調節し
た。このとき同時に排気装置の駆動回路を制御しゲート
バルブを絞って排気速度も調整した。

【０１２６】素子に印加するパルスは、交互に逆方向の
極性を有する矩形波パルスで、パルス幅はどちらの極性
のパルスも同じで、Ｔ１＝１ｍｓｅｃ．、パルスの間隔
は、Ｔ２＝１０ｍｓｅｃ．、したがって１周期は２０ｍ
ｓｅｃ．、周波数は５０Ｈｚとした。パルス波高値Ｖａ
ｃｔは初め１０Ｖで、０．２Ｖ／ｍｉｎ．のレートで上
昇し、１８Ｖに達するように制御した。

【０１２７】活性化促進層の厚みの異なる試料ａ、ｂ、
ｃの活性化時間と効率の関係は図１２のようになり、活
性化促進層の厚い場合は長い時間活性化すると効率が低
下する傾向がある。

【０１２８】工程−ｇ 最後に１０^-5Ｐａの真空中で２５０℃で１２時間安定化
を行った。

【０１２９】この後、１６Ｖの三角波パルスを印加し、
電子放出特性の測定を行った。真空容器内の圧力は１．
３×１０^-6Ｐａ、アノード電極と電子放出素子の距離は
４ｍｍ、電位差は１ｋＶとした。４８個の電子放出素子
の放出電流のばらつきは、ａ、ｂ、ｃの試料で１０％、
４％、７％であった。

【０１３０】（比較例）青板ガラス基板に酸化アルミニ
ウムおよび酸化シリコン膜を形成せず、その他の作製工
程は実施例１と同一の電子放出素子を作製した。この場
合、４８個の素子の放出電流のばらつきは１６％であっ
た。

【０１３１】（実施例２）活性化抑制層として酸化タン
タルを真空蒸着法により堆積したほかは実施例１と同様
に４８個の表面伝導型電子放出素子を作製した。活性化
促進層の厚みは０．１５μｍ、０．０５μｍ、０．０２
μｍである。４８個の電子放出素子の放出電流のばらつ
きはそれぞれで１３％、５％、６％であった。

【０１３２】（実施例３）活性化抑制層としてプラズマ
ＣＶＤ法により窒化シリコン膜を堆積したほかは実施例
１と同様に４８個の表面伝導型電子放出素子を作製し
た。活性化促進層の厚みは０．２μｍ、０．０７μｍ、
である。電子放出素子の放出電流のばらつきは、１４
％、７％であった。以上説明したように、本発明の活性
化促進層と活性化抑制層を有する実施例１〜３の結果
は、いずれも、活性化促進層と活性化抑制層を持たない
比較例の結果よりも、放出電流のばらつきが少なかっ
た。

【０１３３】また、前述した実施例では、活性化抑制層
として、酸化アルミニウム、酸化タンタル、窒化シリコ
ン、を用いた例を述べたが、実施形態の欄で前述した、
酸化チタン、窒化アルミニウム等でも、同様に、比較例
よりも、電子放出特性のばらつきが少ない電子放出素子
を形成することができる。

【０１３４】（実施例４）本実施例は基板上に本発明表
面伝導型伝出素子を複数配置し、図７に模式的に示した
ようにマトリクス的に配線した電子源及びそれを用いた
画像表示装置の製造に本発明を用いた例である。

【０１３５】以下、図１３のプロセスの説明図に沿って
説明する。

【０１３６】工程−Ａ 清浄化した青板ガラス１上に真空蒸着法により、厚さ５
ｎｍのＣｒ、厚さ６００ｎｍのＡｕを順次積層した後、
ホトレジスト（ＡＺ１３７０・ヘキスト社製）をスピン
ナーにより回転塗布し、ベークした後、ホトマスク像を
露光、現像して下配線パターンを形成し、Ａｕ／Ｃｒ堆
積膜をウェットエッチングして所望の形状の下配線７２
を形成した（図１３（Ａ））。

【０１３７】工程−Ｂ 次に厚さ１．０μｍの酸化シリコン膜からなる、層間絶
縁層１２１をＲＦスパッタ法により堆積した（図１３
（Ｂ））。

【０１３８】工程−Ｃ 層間絶縁層１２１上にＲＦスパッタ法により酸化アルミ
ニウムの活性化抑制層２および酸化シリコン膜の活性化
促進層３をそれぞれ２μｍ、０．０５μｍ形成した（図
１３（ｃ））。

【０１３９】工程−Ｄ 工程ＢおよびＣで堆積した酸化シリコン膜と酸化アルミ
ニウム膜にコンタクトホール１２２を形成するためのホ
トレジストパターンを作り、これをマスクとした層間絶
縁層１２１をエッチングしてコンタクトホール１２２を
形成した。エッチングはＣＦ₄ とＨ₂ ガスを用いたＲＩ
Ｅ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法に
よった（図１３（Ｄ））。

【０１４０】工程−Ｅ その後、素子電極４、５と素子電極間ギャップＧとなる
べきパターンをホトレジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１
・日立化成社製）で形成し、真空蒸着法により、厚さ５
ｎｍのＴｉ、厚さ１００ｎｍのＮｉを順次堆積した。ホ
トレジストパターンを有機溶剤で溶解し、Ｎｉ／Ｔｉ堆
積膜をリフトオフし、素子電極間隔３μｍ、幅３００μ
ｍの素子電極４、５を形成した（図１３（Ｅ））。

【０１４１】工程−Ｆ コンタクトホール１２２部分以外にレジストパターンを
形成し、真空蒸着により厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ５００
ｎｍのＡｕを順次堆積した。リフトオフにより不要な部
分を除去することにより、コンタクトホールを埋め込ん
だ（図１３（Ｆ））。

【０１４２】工程−Ｇ 素子電極４、５の上に上配線７３のホトレジストパター
ンを形成した後、厚さ５ｎｍのＴｉ、厚さ５００ｎｍの
Ａｕを順次真空蒸着により堆積し、リフトオフにより不
要な部分を除去して、所望の形状の上配線７３を形成し
た（図１３（Ｇ））。

【０１４３】工程−Ｈ 次に、膜厚３０ｎｍのＣｒ膜１２４を真空蒸着により堆
積、導電性薄膜６の形状の開口部を有するようにパター
ニングし、その上にＰｄアミン錯体溶液（ｃｃｐ４２３
０）をスピンナーにより回転塗布、３００℃１２分間の
加熱焼成処理を施してＰｄＯ微粒子よりなる導電性薄膜
１２３を形成した。この膜の膜厚は７０ｎｍであった
（図１３（Ｈ））。

【０１４４】工程−Ｉ Ｃｒ膜１２４をエッチャントを用いてウェットエッチン
グしてＰｄＯ微粒子よりなる導電性膜１２３の不要部分
とともに除去し、所望の形状の導電性薄膜６を形成し
た。抵抗値はＲｓ＝４×１０⁴ Ω／□程度であった（図
１３（Ｉ））。次に、この様にして作成した電子源を用
いて画像形成装置を構成した例を図８を用いて説明す
る。

【０１４５】工程−Ｉ 電子源基板７１をリアプレート８１上に固定した後、基
板７１の５ｍｍ上方に、フェースプレート８６（ガラス
基板８３の内面に蛍光膜８４とメタルバック８５が形成
されて構成される）を支持枠８２を介し配置し、フェー
スプレート８６、支持枠８２、リアプレート８１の接合
部にフリットガラスを塗布し、大気中で４００℃で１０
分間焼成することで封着した。またリアプレート８１へ
の基板７１の固定もフリットガラスで行った。図８にお
いて、７４は電子放出素子、７２、７３はそれぞれＸ方
向及びＹ方向の素子配線である。

【０１４６】蛍光膜８４は、モノクロームの場合は蛍光
体のみから成るが、本実施例では蛍光体はストライプ形
状を採用し、先にブラックストライプを形成し、その間
隙部に各色蛍光体を塗布し、蛍光膜８４を作製した。ブ
ラックストライプの材料としては、通常良く用いられて
いる黒鉛を主成分とする材料を用いた。ガラス基板８３
に蛍光体を塗布する方法はスラリー法を用いた。

【０１４７】また、蛍光膜８４の内面側には通常メタル
バック８５が設けられる。メタルバックは、蛍光膜作製
後、蛍光膜の内面側表面の平滑化処理（通常フィルミン
グと呼ばれる）を行い、その後、Ａｌを真空蒸着するこ
とで作製した。

【０１４８】フェースプレート８６には、更に蛍光膜８
４の導電性を高めるため、蛍光膜８４の外面側に透明電
極（不図示）が設けられる場合もあるが、本実施例で
は、メタルバックのみで十分な導電性が得られたので省
略した。

【０１４９】前述の封着を行う際、カラーの場合は各色
蛍光体と電子放出素子とを対応させなくてはいけないた
め、十分な位置合わせを行った。

【０１５０】工程−Ｊ 以上のようにして完成したガラス容器内の雰囲気を排気
管（不図示）を通じ真空ポンプにて１０^-4Ｐａ程度の真
空度まで排気した。Ｙ方向配線を共通結線して１ライン
毎にフォーミング処理を行う。フォーミングは実施例１
で採用した条件で行った。

【０１５１】工程−Ｋ つづいて、活性化処理を行う。排気管を活性化物質であ
るアセトンが充填されたアンプルに接続する。アセトン
をパネル内に導入し圧力が１．３×１０^-1Ｐａとなるよ
うに調整して、１８Ｖ矩形波パルスを印加する。パルス
幅は１００μｓｅｃ．、パルス間隔は２０ｍｓｅｃ．と
した。

【０１５２】活性化処理は、１行づつ実行した。一つの
行の素子に接続された１本のＸ方向配線に、波高値Ｖａ
ｃｔ＝１８Ｖの矩形波パルスを印加し、Ｙ方向配線は、
工程Ｊと同様に共通電極に結線する。

【０１５３】１分間毎にパルスを三角波に変更し、Ｉｆ
−Ｖｆ特性を測定する。Ｖｆ２＝Ｖａｃｔ／２＝９Ｖに
おけるＩｆの値が、Ｉｆ（Ｖｆ２）≧Ｉｆ（Ｖａｃｔ）
／２２０であれば、３０秒間矩形波パルスの波高値を１
９Ｖに上昇させ、その後１８Ｖに戻して活性化処理を継
続する。

【０１５４】１素子あたりの素子電流がＩｆ（１８Ｖ）
≧２ｍＡとなったところでその行の活性化を終了し、つ
ぎの行の活性化処理に移って、同様の処理を繰り返す。

【０１５５】工程−Ｌ すべての行の活性化が終了したところで、ガス導入装置
のバルブを閉じアセトンの導入を停止し、ガラスパネル
全体を約２００℃に加熱しながら排気、５時間排気を続
けたところで、単純マトリクス駆動により、電子を放出
させ、蛍光体膜を全面発光させ、正常に動作することを
確認した後、排気管を加熱溶着して封じきる。この後、
高周波加熱によりパネル内に設置したゲッター（不図
示）を高周波加熱によりフラッシュさせる。

【０１５６】以上の工程により、実用上十分な明るさの
画像表示装置が作製でき、輝度むらが１２％以下に抑さ
えられた。

【０１５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電子放出
素子によれば、作製工程のばらつきによる、素子間の電
子放出特性のばらつきを抑え、高い電子放出効率を有す
る電子放出素子を提供できる効果が得られる。

【０１５８】すなわち、本発明によれば、活性化抑制層
上に活性化促進層を形成し、該活性化促進層上に電子放
出素子を形成することにより、活性化工程において、活
性化過剰による特性の低下が抑制され、活性化が、どの
素子でも同程度に進むため、放出電流が均一な電子放出
素子を形成することができると思われる。

【０１５９】また、この本発明の電子放出素子を複数個
配列した電子源においても、電子放出素子の位置による
ばらつきが少なく、電子放出特性が均一な電子源を得る
ことができる。

【０１６０】また、本発明の電子源を用いた画像形成装
置においては、輝度むらが少なく、均一な輝度で動作安
定性に優れた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】本発明を適用した表面伝導型電子放出素子の構
成を示す模式的平面図及び断面図である。

【図２】表面伝導型電子放出素子の放出電流の活性化時
間依存性を示す図である。

【図３】本発明を適用した表面伝導型電子放出素子の製
造に際して採用できる通電フォーミング処理に用いる電
圧波形の一例を示す模式図である。

【図４】測定評価機能を備えた真空処理装置の一例を示
す模式図である。

【図５】本発明を適用した表面伝導型電子放出素子につ
いての放出電流Ｉｅ、素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆの関
係の一例を示すグラフである。

【図６】本発明を適用した、はしご状配置した電子源の
一例を示す模式図である。

【図７】本発明を適用した単純マトリクス配置した電子
源の一例を示す模式図である。

【図８】本発明を適用した画像形成装置の表示パネルの
一例を示す模式図である。

【図９】蛍光膜の一例を示す模式図である。

【図１０】画像形成装置にＮＴＳＣ方式のテレビ信号に
応じて表示を行なうための駆動回路の一例を示すブロッ
ク図である。

【図１１】本発明を適用した表面伝導型電子放出素子の
製造プロセスを示す模式図である。

【図１２】実施例１の表面伝導型電子放出素子の放出電
流の活性化時間依存性を示す図である。

【図１３】実施例４の電子源作製プロセスの説明図であ
る。

【図１４】従来の表面伝導型電子放出素子の構成を示す
模式図である。

【符号の説明】

１：基体、２：活性化抑制層、３：活性化促進層、４、
５：素子電極、６：導電性薄膜、７：電子放出部、１
０：活性化抑制層および活性化促進層付き基板、４０：
素子電極４・５間の導電性薄膜６を流れる素子電流Ｉｆ
を測定するための電流計、４１：電子放出素子に素子電
圧Ｖｆを印加するための電源、４２：素子の電子放出部
５より放出される放出電流Ｉｅを測定するための電流
計、４３：アノード電極４４に電圧を印加するための高
圧電源、４４：素子の電子放出部より放出される放出電
流Ｉｅを捕捉するためのアノード電極、４５：真空装
置、４６：排気ポンプ、７１：電子源基板、７２：Ｘ方
向配線、７３：Ｙ方向配線、７４：表面伝導型電子放出
素子、７５：結線、８１：リアプレート、８２：支持
枠、８３：ガラス基板、８４：蛍光膜、８５：メタルバ
ック、８６：フェースプレート、８７：高圧端子、８
８：外囲器、９１：黒色導電材、９２：蛍光体、１０
１：表示パネル、１０２：走査回路、１０３：制御回
路、１０４：シフトレジスタ、１０５：ラインメモリ、
１０６：同期信号分離回路、１０７：変調信号発生器、
ＶｘおよびＶａ：直流電圧源、１２１：層間絶縁膜、１
２２：コンタクトホール、１２３：導電性薄膜、１２
４：Ｃｒ膜

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性基板上に、対向して設けられた一
   対の素子電極と、該素子電極間に設けられた、電子放出
   部を有する導電性薄膜と、を有する電子放出素子におい
   て、 前記絶縁性基板が、活性化抑制層と、該層上に積層して
   形成された活性化促進層とを有することを特徴とする電
   子放出素子。
2. 【請求項２】 前記活性化抑制層が、良熱伝導性絶縁物
   であることを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
3. 【請求項３】 前記活性化抑制層が、前記良熱伝導性絶
   縁物としての、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化
   チタン、窒化シリコン、窒化アルミニウム、のいずれか
   を含む層であることを特徴とする請求項２記載の電子放
   出素子。
4. 【請求項４】 前記活性化促進層が、ＳｉＯ₂ を含むガ
   ラスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに
   記載の電子放出素子。
5. 【請求項５】 前記絶縁性基板は、基体上に、良熱伝導
   性絶縁物から成る活性化抑制層と、該層よりも熱伝導性
   の低い活性化促進層とを、順に積層して形成したことを
   特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
6. 【請求項６】 前記導電性薄膜が、微粒子集合体である
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電子
   放出素子。
7. 【請求項７】 前記電子放出素子が、表面伝導型電子放
   出素子であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか
   に記載の電子放出素子。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載の電子放
   出素子を、複数個並列に配置し結線してなる素子列を、
   少なくとも１列以上有し、各素子を駆動するための配線
   が、はしご状に配置されていることを特徴とする電子
   源。
9. 【請求項９】 請求項１〜７のいずれかに記載の電子放
   出素子を、Ｘ方向及びＹ方向に行列状に複数個配置し、
   同じ行に配された複数の前記電子放出素子の電極の一方
   は、Ｘ方向の配線に共通に接続され、同じ列に配された
   複数の前記電子放出素子の前記電極の他方は、Ｙ方向の
   配線に共通に接続されていることを特徴とする電子源。
10. 【請求項１０】 請求項８又は９記載の電子源と、画像
    形成部材とを、対向させて配し、入力信号に基づいて画
    像を形成するようにしたことを特徴とする画像形成装
    置。