(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基体の主表面上に配置された一対の電極部材と、 該一対の電極部材間に配置された第一及び第二のカーボン膜とを備えており、前記第一及び第二のカーボン膜の各々の端部が間隙を挟んで互いに対向しており、前記一対の電極部材の一方に前記第一のカーボン膜が電気的に接続され、前記一対の電極部材の他方に前記第二のカーボン膜が電気的に接続されている電子放出素子であって、
前記第一及び第二のカーボン膜は、πプラズモン損失エネルギーが単結晶グラファイトのπプラズモン損失エネルギーの７０％以上、９０％以下の範囲にあり、かつπプラズモン損失ピークの強度が単結晶グラファイトのπプラズモン損失ピーク強度の７０％以上であることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記一対の電極部材の一方と前記第一のカーボン膜とが第一の導電性薄膜を介して接続されており、前記一対の電極部材の他方と前記第ニのカーボン膜とが第ニの導電性薄膜を介して接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記πプラズモン損失エネルギー及び前記πプラズモン損失ピークの強度が、反射型の電子エネルギー損失分光分析により求められ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。
【請求項４】
前記第一及び第二のカーボン膜の前記πプラズモン損失エネルギー及び前記πプラズモン損失ピークの強度、２００ｅＶ〜３ｋｅＶの範囲のエネルギーを有する１次電子線を用い、かつ弾性散乱ピークの半値幅が１ｅＶ以下となる条件で、反射型の電子エネルギー損失分光分析装置により測定されることを特徴とする請求項３記載の電子放出素子。
【請求項５】
基体上に複数の電子放出素子を配列形成した電子源であって、
前記複数の電子放出素子の各々が請求項１乃至４のいずれかに記載の電子放出素子であることを特徴とする電子源。
【請求項６】
電子源と、該電子源から放出された電子を照射することで画像を形成する画像形成部材とを有する画像形成装置であって、前記電子源が請求項５に記載の電子源であることを特徴とする画像形成装置。
【請求項７】
画像形成装置と、該画像形成装置にテレビジョン放送信号を表示させるための回路と、を備えたテレビジョン放送の表示装置であって、前記画像形成装置が請求項６に記載の画像形成装置であることを特徴とするテレビジョン放送の表示装置。
【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、この電子放出素子を用いた電子源、及びこの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、電子放出素子を用いた電子源として熱電子源及び冷陰極電子源の２種類が知られている。冷陰極電子源を構成する電子放出素子には、電界放出型（ＦＥ型）、金属・絶縁層・金属型（ＭＩＭ型）及び表面伝導型などの電子放出素子がある。
【０００３】
ＦＥ型電子放出素子の例としては、Ｗ．Ｐ．Ｄｙｋｅ＆Ｗ．Ｗ．Ｄｏｌａｎ，“Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ”，Ａｄｖａｎｃｅ  ｉｎ  ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｈｙｓｉｃｓ，８，８９（１９５６）あるいはＣ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，“Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｃａｔｈｏｄｅｓ  ｗｉｔｈ  ＭｏｌｙｂｄｅｎｉｕｍＣｏｎｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４７，５２４８（１９７６）等が知られている。
【０００４】
ＭＩＭ型電子放出素子の例としては、Ｃ．Ａ．Ｍｅａｄ、“Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔｕｎｎｅｌ−Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌｙ．Ｐｈｙｓ．３２，６４６（１９６１）等が知られている。
【０００５】
また、表面伝導型電子放出素子の例としては、Ｍ．Ｉ．Ｅｌｉｎｓｏｎ、Ｒａｄｉｏ  Ｅｎｇ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｈｙｓ．，１０，１２９０（１９６５）等がある。
【０００６】
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、膜面に並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、上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．Ｄｉｔｍｍｅｒ，Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ，９，３１７（１９７２）〕、ｌｎ2 Ｏ3 −ＳｎＯ2 薄膜によるもの〔Ｍ．Ｈａｒｔｗｅｌｌ  ａｎｄ  Ｃ．Ｇ．Ｆｏｎｓｔｅｄ，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。
【０００７】
本出願人は、表面伝導型電子放出素子とその応用に関し、多数の提案を行っている。その構成及び製造方法は、例えば特開平７−２３５２５５号公報及び特開平８−１７１８４９号公報などに開示されている。
【０００８】
これら公報記載の要点を簡単に説明する。表面伝導型電子放出素子は、図１９（Ａ），（Ｂ）に模式的に示すように、基板１上に対向する一対の素子電極２，３と、これらの素子電極に接続されその一部に電子放出部５を有する導電性薄膜４とを備える。図１９（Ａ）は平面図、図１９（Ｂ）は断面図である。電子放出部５は、上記導電性薄膜の一部が破壊・変形ないし変質され、間隙が形成された部分であり、間隙内部及びその近傍の導電性薄膜４上には、活性化と呼ばれる工程により、炭素及び／または炭素化合物を主成分とする堆積物が形成されている。これにより放出される電子の量が大幅に増大する。
【０００９】
上記導電性薄膜４は、後述する通電による処理（フォーミング工程）で間隙部を好ましい状態に形成するために、導電性微粒子により構成される。
以上のような電子放出素子を複数個形成した電子源基板を用い、蛍光体などからなる画像形成部材と組み合わせることにより、画像形成装置を構成できる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、画像形成装置としてより高い性能、すなわち、画像形成装置の大画面化、省電力化、高精細化、高画質化、省スペース化等を実現するためには、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、十分な電子放出量で安定した電子放出特性を更に長時間保持し続けられる技術が望まれている。
【００１１】
後述の活性化処理によれば、炭素あるいは炭素化合物が導電性薄膜に形成された間隙及びその近傍に堆積して新たに狭い間隙を構成するようになる。それにより、放出電流Ｉｅ及び素子電流Ｉｆが増大するが、放出電子量、寿命等の素子特性は、活性化処理によって堆積した炭素あるいは炭素化合物の構造や安定性によって左右される。
【００１２】
したがって、電子放出素子を用いたフラットテレビ等に応用可能な高品位な画像形成装置を実現するためには、電子放出素子の電子放出部を好適な構造と安定性を有する炭素あるいは炭素化合物により形成する必要がある。
【００１３】
本発明の課題は、良好な電子放出特性と高輝度を長時間に亘り実現する電子放出素子、及びそれを用いた電子源及び画像形成装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の電子放出素子は、絶縁性基体の主表面上に配置された一対の電極部材と、 該一対の電極部材間に配置された第一及び第二のカーボン膜とを備えており、前記第一及び第二のカーボン膜の各々の端部が間隙を挟んで互いに対向しており、前記一対の電極部材の一方に前記第一のカーボン膜が電気的に接続され、前記一対の電極部材の他方に前記第二のカーボン膜が電気的に接続されている電子放出素子であって、前記第一及び第二のカーボン膜は、πプラズモン損失エネルギーが単結晶グラファイトのπプラズモン損失エネルギーの７０％以上、９０％以下の範囲にあり、かつπプラズモン損失ピークの強度が単結晶グラファイトのπプラズモン損失ピーク強度の７０％以上である構成である。
【００１５】
また、前記一対の電極部材の一方と前記第一のカーボン膜とが第一の導電性薄膜を介して接続されており、前記一対の電極部材の他方と前記第ニのカーボン膜とが第ニの導電性薄膜を介して接続されていることが好適である。
【００１６】
この構成において、前記第一及び第二の炭素含有膜部材の前記πプラズモン損失エネルギー及び前記πプラズモン損失ピークの強度が、反射型の電子エネルギー損失分光分析により求められる。より具体的には、前記第一及び第二の炭素含有膜部材の前記πプラズモン損失エネルギー及び前記πプラズモン損失ピークの強度が、約２００ｅＶ〜３ｋｅＶの範囲のエネルギーを有する１次電子線を用い、かつ弾性散乱ピークの半値幅が約１ｅＶ以下となる条件で、反射型の電子エネルギー損失分光分析装置により測定される。
【００１７】
【作用】
本発明の電子放出素子においては、電子放出部を構成する炭素を有する膜（カーボン膜）のπプラズモン損失エネルギーが単結晶グラファイトのπプラズモン損失エネルギーの約７０％以上、約９０％以下の範囲にあり、かつπプラズモン損失ピークの強度が単結晶グラファイトのπプラズモン損失ピーク強度の約７０％以上であり、一般的な炭素材料に比べ、πプラズモン損失ピーク強度が高いにも拘わらずπプラズモン損失エネルギーの低い材料を用いている。
【００１８】
これは、高いπ電子密度を有しつつも、細かい結晶子径を有することに対応していると考えられる。
πプラズモン損失エネルギー及びπプラズモン損失ピークの強度において上記特徴を持つ炭素を有する膜を用いた電子放出素子では、放出電流量が大きく、かつ安定な電子放出を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１（A）、（B）は本発明の電子放出素子を模式的に示した平面図及び断面図である。ガラス材料から形成された絶縁性基板１上に一対の素子電極２，３が対向して配置されており、後述するフォーミング処理等により導電性薄膜４の一部に形成された間隙６を置いて、導電性薄膜４が基板１表面に対して横方向に対向している。そして、導電性薄膜４が素子電極２，３の表面を覆うことで、一対の電極２，３と導電性薄膜４とが電気的に接続される。
【００２０】
なお、ＦＩＢ等の手法を用い、電極間隔をフォーミングにより形成する上記間隙６程度の幅に形成する場合は、導電性薄膜４と電極２、３とを別々に形成しなくともよい。
【００２１】
さらに、後述する活性化処理工程により、間隙６内の基板１上及びその近傍の導電性薄膜４上に、堆積物である炭素を有する膜（カーボン膜）１０が配される。また、上記したように、導電性薄膜４を用いない場合には、電極２、３と炭素を有する膜１０とが直接接続される。なお、本発明においては、堆積物と炭素を有する膜とは同一のものを指す。また、炭素を有する膜１０は、間隙６内に配された間隙７を置いて、基板１表面に対して横方向に対向して配される。
【００２２】
この炭素を有する膜１０は、素子電極間距離（Ｌ）や後述する活性化条件などによっては、素子電極２，３上にまで堆積し、場合によっては、導電性薄膜４を介さずに素子電極と直接接続する。あるいは間隙７から素子電極２，３までの距離のほぼ半分程を覆う程度に炭素を有する膜１０を設けることもできる。
【００２３】
なお、図１に示した構成だけでなく、基板１上に導電性薄膜４、対向する素子電極２，３の順に積層した構成とすることもできる。また、図１（A）、（B）では導電性薄膜４は間隙６を境に、左右に分離し対向配置されて示されているが、間隙６の一部で繋がっている場合がある。同様に、間隙７を境に、炭素を有する膜１０が左右に分離し対向配置されて示されているが、炭素を有する膜１０は間隙７の一部で繋がっている場合もある。いずれの場合も素子の特性には大きく影響しない。
【００２４】
ここで、カーボン（炭素）のπ結合及びσ結合について説明する。
カーボンの電子配置は基底状態で１ｓ２＜２乗＞・２ｓ２＜２乗＞・２ｐ２＜２乗＞である。最外殻電子は２ｓ及び２ｐの計４個である。この原子が結合して分子または結晶固体を作る場合には、２ｓ電子の１個が励起されて２ｐ軌道に入り、いわゆるｓｐ混成軌道を作る。
【００２５】
ｓｐ３＜３乗＞混成軌道は原子核を中心に正四面体の各頂点に向かって電子雲が延び、立体的配置をとる。このｓｐ３＜３乗＞混成軌道を持つ炭素原子の集合したものがダイヤモンドであり、この結合はσ結合と呼ばれすべてσ電子からなる。
【００２６】
これに対して、ｓｐ２＜２乗＞混成軌道は４個の電子のうち３個が平面内でそれぞれ１２０度ずつ離れた方向に電子雲を作り、残り１個がその平面の上下に亜鈴型の電子雲を作る。同一平面内にある３個の結合はσ結合で炭素六方網平面を形成する。残った１個の電子はπ電子と呼ばれ、網平面に垂直に配向し、その軌道は網平面に沿って互いに重なり合い、網平面の結合を一層強固なものにしている。π電子は網平面に沿ってほとんど自由に動くことができ、自由電子と見なしても差し支えないぐらいである。グラファイト（黒鉛）はこのような層の積み重なりであることがよく知られている。
【００２７】
カーボンにはよく知られているように、上述のダイヤモンド、グラファイト以外の中間的な構造が存在し、その中間的な構造は、グラファイトの層内結合に含まれるπ結合とσ結合とに加えて、ダイヤモンドの原子間結合に代表されるσ結合が、ある比率で混在して構成されているので、その多結晶構造の状態を特定するためには、π結合とσ結合との比が挙げられる。
【００２８】
カーボンに関しては、その構造の違い、例えばグラファイト、ダイヤモンド、グラッシーカーボン、アモルファスカーボン、といった違いが、炭素のＫ殻電子のスペクトルから、π電子とσ電子とのスペクトルプロファイルが異なるものとして得ることができる。具体的にはπ電子に由来するエネルギー損失はほぼ２８５ｅＶ、σ電子に由来するエネルギー損失はほぼ２９２ｅＶに現れることが知られているので、その強度比から状態を同定することができる。さらに、炭素のＫ殻電子のスペクトルに関して、グラファイトであれば、π電子によるエネルギー損失の強度がσ電子によるエネルギー損失の強度のほぼ４割増となり、ダイヤモンドであれば、π電子によるエネルギー損失はほとんどピークが見られず、σ電子によるエネルギー損失のみが観測されるといった違いでその状態を特定することができる。
【００２９】
次に、素子電極及び導電性薄膜を形成する工程及びフォーミング処理工程を、図２（Ａ）〜（Ｃ）を用いて説明する。
基板１を洗剤、純水及び有機溶剤等を用いて十分に洗浄し、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１上に素子電極２，３を形成する（図２（Ａ））。
【００３０】
素子電極２，３を設けた基板１に、有機金属化合物の溶液を塗布して、有機金属化合物薄膜を形成する。有機金属化合物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４を形成する（図２（Ｂ））。
【００３１】
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４の形成方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。また、上記の有機金属化合物の溶液をインクジェット装置により所望の位置に液滴として付与する方法を用いることもでき、この場合はリフトオフやエッチングによるパターニング工程は不要となる。
【００３２】
続いて、フォーミング処理を施す。このフォーミング処理の方法として、導電性薄膜４の還元を促すガスを含む雰囲気中での通電処理による方法を説明する。導電性薄膜４が金属酸化物、特にＰｄＯよりなる場合は、このガスとし水素が使用可能である。導電性薄膜４を形成した上記電子放出素子を、真空装置内に設置し、内部を例えば１×１０−５＜−５乗＞Ｔｏｒｒ程度の圧力以下となるように排気し、N2:98% - H2:2%の混合ガスを１×１０−３＜−３乗＞Ｔｏｒｒ程度、真空装置内に導入し、素子電極２，３間に、不図示の電源を用いて通電を行うと、導電性薄膜４に間隙６が形成される（図２（Ｃ））。
【００３３】
このとき、水素ガスによる還元により、導電性薄膜を構成する物質が金属酸化物から金属に変化し、その際、凝集を伴って間隙６の形成が促進される。更に、好ましくは、基板温度を室温以上の温度：５０〜１００℃程度に設定する。
【００３４】
電圧波形は、パルス波形が好ましく、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に示した手法が挙げられる。図３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１μｓｅｃ．〜１０ｍｓｅｃ．、Ｔ２は１０μｓｅｃ．〜数１００ｍｓｅｃ．の範囲で設定される。矩形波の波高値は、表面伝導型電子放出素子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。
【００３５】
通電フォーミング処理の終了は、上記のフォーミング用のパルス電圧の間に、導電性薄膜４を局所的に破壊、変形しない程度のパルス電圧を挿入し、その時の電流を測定して抵抗値を検知することにより決定することができる。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。
【００３６】
なお、フォーミング処理の方法としては、上記以外でも、間隙６が適切に形成される方法であれば採用することができる。
さらに、フォーミング工程を終了した素子を真空中で加熱することで、表面に吸着した不純物等を排除するのが好ましい。このとき、前述のように導電性薄膜４としてＰｄＯを用いた場合は、２００℃程度の加熱により十分に還元して金属Ｐｄとするのが好ましい。
【００３７】
次いで活性化処理を行う。活性化処理工程は、有機物質のガスを含有する雰囲気下で、上記一対の素子電極間にパルス電圧を繰り返し印加して、間隙６内の基板１上及びその周囲に炭素を有する膜１０を堆積させる工程である。この工程により素子に流れる電流である素子電流Ｉｆは著しく変化し、また、電子放出電流Ｉｅも増大する。活性化処理の終了判定は、素子電流Ｉｆ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。
【００３８】
この活性化処理において用いられる有機物質のガスを含有する雰囲気としては、蒸気圧があまり高くなく、かつ重合しやすい有機物質のガスを含有する雰囲気が好ましい。また、窒素原子を含有するものが好ましく、特にニトリル化合物が好ましく用いられる。この条件を満たすものとしては具体的には、気化したトルニトリルを含有する雰囲気が挙げられるが、間隙６内及びその周囲の堆積物である炭素を有する膜１０の形成に不都合がなければ、特に制限されるものではない。
【００３９】
またこの雰囲気は、例えば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などによって得られる。さらに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。
【００４０】
また、堆積物である炭素を有する膜１０を構成する炭素の膜厚は、５〜１００ｎｍの範囲とするのが好ましい。ここで、炭素を有する膜１０は、πプラズモン損失エネルギーが単結晶グラファイトのπプラズモン損失エネルギーの約７０％以上、約９０％以下の範囲にあり、かつπプラズモン損失ピークの強度が単結晶グラファイトのπプラズモン損失ピーク強度の７０％以上であるという特徴を有する。
【００４１】
次に、電子放出素子のπプラズモン損失エネルギー及びπプラズモン損失ピークの強度の測定に関して詳しく説明する。
図４は反射型の電子エネルギー損失分光分析（ＲＥＥＬＳ）に用いる装置の概略図を示したものである。図４において、５１は真空容器、５２は電子銃、５３は電子エネルギー分析器、５４は試料ステージ、５５は被分析試料、５６は１次電子線、５７は反射電子である。
【００４２】
電子銃５２は、電子銃あるいはこれに電子線偏向器を付加させたものから放出される電子線であり、例えば、フィールドエミッション型の電子銃を用いるのが好ましい。これは、測定に用いる１次電子線５６のエネルギー半値幅ΔＥが小さい、すなわち単色性が良い方が、測定の感度を上げられるためである。なお、電子銃５２として熱電子放出型電子銃を用いることも可能だが、この場合、電子銃からの電子線のエネルギー半値幅ΔＥを小さくするために、単色化機構を組み合わせるのが好ましい。
【００４３】
１次電子線５６は、そのエネルギー範囲が２００ｅＶ〜３ｋｅＶにあることが好ましい。２００ｅＶより小さいエネルギーでは反射電子５７の検出が困難となり、３ｋｅＶより大きいエネルギーでは試料５５、すなわち本発明の電子放出素子の炭素を有する膜１０が、電子線によりダメージをうける場合があるためである。また、１次電子線５６の電子ビーム径は、用いる電子銃や加速電圧に大きく依存するが、例えば、上述のように電界放射型電子銃を用い、加速電圧を代表的な１ｋｅＶに設定した場合で２００ｎｍ程度である。
【００４４】
反射電子５７は試料５５において反射された電子線で、１次電子線５６と等しいエネルギーの電子、すなわち試料５５で弾性散乱された電子に加えて、試料５５との相互作用により、エネルギー損失した電子が含まれる。ここで、本発明において十分な測定分解能を有するためには、弾性散乱された電子のエネルギーの広がり、すなわち弾性散乱ピークの半値幅が１ｅＶ以下となる条件で測定されることが好ましい。このため、上記１次電子線５６のエネルギー半値幅ΔＥを０．４ｅＶ以下とするのが好ましく、さらに、電子エネルギー分析器５３の分解能を高めるのが好ましい。
【００４５】
電子エネルギー分析器５３としては、高いエネルギー分解能が得られる偏向分散方式のエネルギー分析器を用いることが好ましい。エネルギー分析器には磁場偏向方式、静電偏向方式、さらには磁場と電場を組み合わせたＷｉｅｎ−ｆｉｌｔｅｒ式などがあるが、この中では、小型で経済的な静電偏向方式のエネルギー分析器が好ましく用いられる。なお、静電偏向方式のエネルギー分析器であれば、例えば、同心半球型、円筒鏡型、共軸円筒鏡型などいずれの分析器を用いてもよい。なお、エネルギー分析器として同心半球型分析器を用いる場合、この分析器の入射側に反射電子の収束、加速、減速を目的とした静電レンズを付加させてもよい。
【００４６】
反射電子の検出には、チャンネルトロン、マルチチャンネルプレート、電子増倍管などを用いることができ、必要に応じて増幅器を付加させてもよい。また検出方法も、アナログモードで用いロックイン増幅器で増幅する方法、パルスカウントモードで用いパルス波高弁別後にパルスカウントとする方法のどちらを用いてもよい。
【００４７】
以上のような反射型の電子エネルギー損失分光分析（ＲＥＥＬＳ）の測定装置を用いて、グラファイトの反射電子エネルギー損失スペクトルを測定すると、πプラズモン損失ピークとπ＋σプラズモンピークとが観測される。πプラズモン損失ピークはｓｐ２＜２乗＞炭素に由来するもので、ｓｐ３＜３乗＞炭素（たとえばダイヤモンド）では原理的にはこのピークが現れない。また、πプラズモンピークのエネルギー（損失エネルギー）はグラファイト結晶子径及び／またはπ電子密度を反映していると考えられ、同ピーク強度はπ電子密度と相関があると考えられる。
【００４８】
上述の装置により、グラファイト（ＨＯＰＧ）と、いくつかの結晶子径の異なるグラッシーカーボンの試料に対して測定されたπプラズモン損失エネルギーとπプラズモン損失ピーク強度をプロットしたものを図５に示す。図５には、本発明に用いられた、炭素を有する膜１０の一例として測定されたπプラズモン損失エネルギーとπプラズモン損失ピーク強度も合わせて示した。
【００４９】
また、グラファイト（ＨＯＰＧ）とグラッシーカーボンの試料の結晶データを図６に示した。なお、図６に示したπプラズモン損失エネルギーはπプラズモン損失ピーク位置の実測値であり、またπプラズモン損失ピーク強度は弾性散乱ピークに対する相対強度である。
【００５０】
これらの測定値は測定装置の仕様等によってある比率で差異を生じる場合がある。このような誤差を除くためには、単結晶グラファイト（ＨＯＰＧ）を標準試料として、単結晶グラファイトから得られた値に対する相対値、すなわち比率を特性値とするのが好ましい。
【００５１】
図５のように、一般的な炭素材料、すなわちグラファイト（ＨＯＰＧ）とグラッシーカーボンにおいては、結晶子径が小さくなるに連れて、πプラズモン損失エネルギーが低エネルギー側にシフトし、同時にπプラズモン損失ピーク強度が低下する。これは、結晶子径が小さくなると、炭素中のπ電子密度が減少することを示している。
【００５２】
一方、本発明における炭素を有する膜１０で得られるπプラズモン損失エネルギーとπプラズモン損失ピーク強度は、上記の炭素材料における相関から外れて、左上の領域にある。これは、結晶子径が小さいにもかかわらずπ電子密度が高いことを意味していると推定する。
【００５３】
このような特徴は、本発明の電子放出素子の電子放出特性に関して、以下のような優位点を持つ。
すなわち、結晶子径の小さい炭素は、特に間隙７を構成するにあたって、その間隙幅を均一に形成できるという特徴がある。結晶子径が大きいと、間隙７の幅がその結晶子径程度の分布を持つため、素子に電圧を印加した際、過度の電界集中を起こす点が発生し、電子放出特性が不安定になる場合がある。
【００５４】
一方、π電子密度が高い炭素は、一般に抵抗率が低く、素子電極２，３を通じて素子に電圧を印加した際の電圧降下が小さいため、間隙７に十分な実効電圧を印加することができる。さらに、電子放出される電子量は、電子放出部材の自由電子密度（炭素材料においてはπ電子密度に対応すると考えられる）によって制限されると考えられ、π電子密度が高い方が好ましい。
【００５５】
本発明においては、πプラズモン損失エネルギーが単結晶グラファイトのπプラズモン損失エネルギーの約７０％以上、約９０％以下の範囲にあり、かつ単結晶グラファイトの７０％以上のπプラズモン損失ピーク強度を有する炭素を有する膜１０を用いた場合に、上記の優位点が素子特性に反映される。
【００５６】
このような特徴を有する炭素を有する膜１０を形成するためには、上述のように、導電性薄膜４の表面を真空中で加熱する等の手法で清浄にして、導電性薄膜４の表面と炭素を有する膜１０との相互作用を高めたり、窒素を含有する有機化合物雰囲気中で活性化を行なう等が重要と推測されているが、本発明はそれらの製造方法に限定されるものではない。
【００５７】
以上のような工程を経て得られた電子放出素子は、安定化処理を行うことが好ましい。この処理は、電子放出素子に吸着している余分な有機物質分子などを除去する工程である。上記電子放出素子を真空容器内に設置し、容器内を排気する。これに用いる真空排気装置は、装置から発生するオイルが真空容器内に拡散しないよう、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とイオンポンプとを組み合わせた真空排気装置等である。
【００５８】
真空容器内の有機成分の分圧は、炭素及び炭素化合物が素子上にほぼ新たに堆積しない分圧で１×１０−８＜−８乗＞Ｔｏｒｒ以下が好ましく、さらには１×１０−１０＜−１０乗＞Ｔｏｒｒ以下が特に好ましい。さらに真空容器内を排気するときには、真空容器全体を加熱して、真空容器内壁や、電子放出素子に吸着した余分な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、８０〜３００℃、好ましくは２５０℃以上で、できるだけ長時間処理するのが望ましいが、特にこの条件に限るものではなく、真空容器の大きさや形状、電子放出素子の構成などの諸条件により適宜選ばれる条件により行う。真空容器内の圧力は極力低くすることが必要で、１×１０−７＜−７乗＞Ｔｏｒｒ以下が好ましく、さらに１×１０−８＜−８乗＞Ｔｏｒｒ以下が特に好ましい。
【００５９】
安定化処理を行った後の、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。  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、また真空容器や基板などに吸着したＨ2 Ｏ，Ｏ2 なども除去でき、結果として素子電流Ｉｆ，放出電流Ｉｅが安定する。
【００６０】
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７、図８を参照しながら説明する。
図７は真空処理装置の一例を示す構成図である。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７において、真空装置３５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（基板）であり、２及び３は素子電極、４は導電性薄膜、５は間隙６，７及びその近傍の領域である電子放出部である。３１は電子放出素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電源、３０は素子電極２，３間の導電性薄膜４を流れる素子電流Ｉｆを測定するための電流計、３４は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。３３はアノード電極３４に電圧を印加するための高圧電源、３２は素子の電子放出による放出電流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１ｋＶ〜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。
【００６１】
真空装置３５内に、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、所望の真空雰囲気での測定評価を行えるようになっている。電源３１が十分な電力を供給できるものであれば、この装置により上記フォーミング処理工程に用いることができるのは言うまでもない。また、真空処理装置の全体を、ヒーターにより加熱できるようにすれば、上記の安定化処理工程に使用することもできる。
【００６２】
図８は、図７に示した真空処理装置を用いて測定された放出電流Ｉｅと素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆとの関係を模式的に示した図である。図８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。
【００６３】
図８からも明らかなように、本発明を適用可能な表面伝導型電子放出素子は、放出電流Ｉｅに関して対する三つの特徴的性質を有する。即ち、
（１）本素子はある電圧（しきい値電圧と呼ぶ、図８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Ｖｔｈを持った非線形素子である。
【００６４】
（２）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。
（３）アノード電極３４に捕捉される放出電子の量は、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３４に捕捉される電子の量は、素子電圧Ｖｆを印加する時間により制御できる。
【００６５】
図８においては、素子電流Ｉｆが素子電圧Ｖｆに対して単調増加する（ＭＩ特性）例を示した。上述した製造工程によっては、素子電流Ｉｆが素子電圧Ｖｆに対して電圧制御型負性抵抗特性（ＶＣＮＲ特性）を示す場合もあるが、上記安定化処理を行うことによりＭＩ特性に変化する。
【００６６】
以上の説明より理解されるように、本発明を適用可能な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。
【００６７】
上記の特性を利用して、上記電子放出素子を基体上に複数配置した電子源及び画像形成装置を作成することが可能である。また電子放出素子の配列については、種々のものが採用できる。一例として、並列に配置した多数の電子放出素子の個々を両端で接続し、電子放出素子の行を多数個配し（行方向）、この配線と直交する方向（列方向）で、電子放出素子の上方に配した制御電極（グリッド）により、電子放出素子からの電子を制御駆動するはしご型配置のものがある。
【００６８】
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。
【００６９】
この単純マトリクス配置についてさらに説明する。表面伝導型電子放出素子については、前述したとおり（１）ないし（３）の特徴がある。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幅で制御できる。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。
【００７０】
以下この原理に基ずき、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９を用いて説明する。図９において、８１は電子源基板、８２はＸ方向配線、８３はＹ方向配線である。８４は表面伝導型電子放出素子、８５は結線である。ｍ本のＸ方向配線８２は、Ｄｘ１，Ｄｘ２，……，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、巾は、適宜設計される。Ｙ方向配線８３は、Ｄｙ１，Ｄｙ２，……，Ｄｙｎのｎ本の配線よりなり、Ｘ方向配線８２と同様に形成される。これらｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配線８３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。
【００７１】
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８２と形成した基板１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８２とＹ方向配線８３と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８２とＹ方向配線８３とは、それぞれ外部端子として引き出される。
【００７２】
表面伝導型放出素子８４を構成する一対の電極（不図示）は、ｍ本のＸ方向配線８２とｎ本のＹ方向配線８３と導電性金属等からなる結線８５とによって電気的に接続されている。
【００７３】
配線８２と配線８３を構成する材料、結線８５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。
【００７４】
Ｘ方向配線８２には、Ｘ方向に配列した表面伝導型放出素子８４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８３には、Ｙ方向に配列した表面伝導型放出素子８４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との差電圧として供給される。
【００７５】
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。
上述した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１０と図１１を用いて説明する。図１０は画像形成装置の表示パネルの一例を示す構成図であり、図１１は図１０の画像形成装置に使用される蛍光膜の構成図である。
【００７６】
図１０において、８１は表面伝導型電子放出素子を複数配した電子源の基板、９１は基板８１を固定したリアプレート、９６はガラス基板９３の内面に蛍光膜９４とメタルバック９５等が形成されたフェースプレートである。９２は支持枠であり、この支持枠９２には、リアプレート９１、フェースプレート９６が低融点のフリットガラスなどを用いて、大気中あるいは窒素中で４００〜５００℃で１０分以上焼成することにより、接合される。８４は電子放出素子である。８２、８３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。
【００７７】
外囲器（真空容器）９８は、上述の如く、フェースプレート９６、支持枠９２、リアプレート９１で構成される。リアプレート９１は主に基板１１０の強度を補強する目的で設けられるため、基板１１０自体で十分な強度を持つ場合は別体のリアプレート９１は不要とすることができる。即ち、基板１１０に直接支持枠９２を封着し、フェースプレート９６、支持枠９２及び基板１１０で外囲器９８を構成しても良い。一方、フェースプレート９６、リアプレート９１間に、スペーサーと呼ばれる不図示の支持体を設置することにより、大気圧に対して十分な強度をもつ外囲器９８を構成することもできる。
【００７８】
図１１は蛍光膜９４を示す摸式的な構成図である。蛍光膜９４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部材１０１と蛍光体１０２とから構成することができる。
【００７９】
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１０２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９４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。
【００８０】
ガラス基板９３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、沈殿法、印刷法等が採用できる。蛍光膜９４の内面側には、通常メタルバック９５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９６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。
【００８１】
メタルバック、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。フェースプレート９６には、更に蛍光膜９４の導電性を高めるため、蛍光膜９４の外面側に透明電極（不図示）を設けてもよい。
【００８２】
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、十分な位置合わせを行う。
外囲器９８は、不図示の排気管を通じ、１×１０−７＜−７乗＞Ｔｏｒｒ程度の真空度にした後、封止がおこなわれる。また、外囲器９８の封止後の真空度を維持するために、ゲッター処理を行う場合もある。これは、外囲器９８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の加熱法により、外囲器９８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、蒸着膜の吸着作用により、たとえば１×１０−５＜−５乗＞ないしは１×１０−７＜−７乗＞Ｔｏｒｒの真空度を維持するものである。
【００８３】
以上により完成した画像形成装置（画像表示装置）において、各電子放出素子には、容器外端子Ｄｏｘ１ないしＤｏｘｍ、Ｄｏｙ１ないしＤｏｙｎを通じ、電圧を印加することにより、電子放出させ、高圧端子９７を通じ、メタルバック９５あるいは透明電極（不図示）に数ｋＶ以上の高圧を印加し、電子ビームを加速し、蛍光膜９４に衝突させ、励起・発光させることで画像を表示するものである。
【００８４】
なお、以上述べた構成は、表示等に用いられる好適な画像形成装置を作製する上で必要な概略構成であり、例えば各部材の材料等、詳細な部分は上述内容に限られるものではなく、画像形成装置の用途に適するよう適宜選択する。
【００８５】
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１２を参照して説明する。
【００８６】
図１２は、ＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示を行うための駆動回路の一例を示すブロック図である。図１２中、１１１は表示パネル、１１２は走査信号発生回路、１１３はタイミング制御回路、１１４はシフトレジスタである。また、１１５はラインメモリ、１１６は同期信号分離回路、１１７は変調信号発生回路、Ｖｘ及びＶａは直流電圧源である。
【００８７】
表示パネル１１１は、端子Ｄｏｘ１乃至Ｄｏｘｍ、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。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１０ｋＶ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。
【００８８】
走査信号発生回路１１２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０Ｖ（グランドレベル）のいずれか一方を選択し、表示パネル１１１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１１３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。
【００８９】
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。
【００９０】
タイミング制御回路１１３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われるように各部の動作を整合させる機能を有する。タイミング制御回路１１３は、同期信号分離回路１１６より送られる同期信号Ｔｓｙｎｃに基づいて、各部に対してＴｓｃａｎ、Ｔｓｆｔ及びＴｍｒｙの各制御信号を発生する。
【００９１】
同期信号分離回路１１６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１１６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とより成るが、ここでは説明の便宜上Ｔｓｙｎｃ信号として図示した。上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信号として表した。このＤＡＴＡ信号はシフトレジスタ１１４に入力される。
【００９２】
シフトレジスタ１１４は、時系列的にシリアルに入力される上記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、タイミング制御回路１１３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１１４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、ｌｄ１乃至ｌｄｎのＮ個の並列信号としてシフトレジスタ１１４より出力される。
【００９３】
ラインメモリ１１５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、タイミング制御回路１１３より送られる制御信号Ｔｍｒｙに従って適宜ｌｄ１乃至ｌｄｎの内容を記憶する。記憶された内容は、ｌ′ｄ１乃至ｌ′ｄｎとして出力され、変調信号発生器１１７に入力される。
【００９４】
変調信号発生器１１７は、画像データｌ′ｄ１乃至ｌ′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１１１内の表面伝導型電子放出素子に印加される。
【００９５】
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Ｖｍ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。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。
【００９６】
電圧変調方式を実施するに際しては、変調信号発生器１１７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。
【００９７】
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１１７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。
【００９８】
シフトレジスタ１１４やラインメモリ１１５は、デジタル信号式のもの、アナログ信号式のものをも採用できる。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。
【００９９】
デジタル信号式を用いる場合には、同期信号分離回路１１６の出力信号ＤＡＴＡをデジタル信号化する必要があるが、これには同期信号分離回路１１６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１１５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１１７に用いられる回路が若干異なったものとなる。
【０１００】
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１１７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１１７には、例えば高速の発振器及び発振器の出力する波数を計数する計数器（カウンタ）及び計数器の出力値と上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。
【０１０１】
アナログ信号を用いた電圧変調方式の場合、変調信号発生器１１７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。
【０１０２】
このような構成をとり得る本発明を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９５（図１０参照）、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９４（図１０参照）に衝突し、発光が生じて画像が形成される。
【０１０３】
ここで述べた画像形成装置の構成は、本発明を適用可能な画像形成装置の一例であり、本発明の技術思想に基づいて種々の変形が可能である。入力信号については、ＮＴＳＣ方式を挙げたが入力信号はこれに限られるものではなく、ＰＡＬ、ＳＥＣＡＭ方式などの他、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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明をさらに詳述する。
〔実施例１〕
本発明により形成された電子放出素子は、図１（Ａ），（Ｂ）に模式的に示される構成を有する。本実施例で作製した電子放出素子の製造工程を図２を用いて説明する。
【０１０６】
工程−ａ：
基板１として石英を用い、これを洗剤、純水及び有機溶剤により洗浄した後、フォトレジストＲＤ−２０００Ｎ（日立化成（株）製）をスピンナーにより塗布（２５００ｒｐｍ、４０秒）し、８０℃，２５分間のプリベークを行った。
【０１０７】
次いで、素子電極のパターンに対応するマスクを用いて、密着露光し、現像液を用いて現像、１２０℃，２０分間のポストベークを行って、レジストマスクを形成した。
【０１０８】
次いでＮｉを真空蒸着法より成膜した。成膜レートは０．３ｍｍ／ｓｅｃ．で膜圧を１０ｎｍとした。
次いで、上記基板をアセトンに浸してレジストマスクを溶解し、リフトオフによりＮｉの素子電極２，３を形成した。電極間隙Ｈは２μｍ、電極長Ｗは５００μｍである（図２（Ａ））。
【０１０９】
工程−ｂ：
電極が形成された基板を、アセトン、イソプロパノール、酢酸ブチルで洗浄し乾燥した後、真空蒸着法によりＣｒを５０ｎｍ成膜する。次いでフォトレジストＡＺ１３７０（ヘキスト社製）をスピンナーにより塗布（２５００ｒｐｍ、３０秒）し、９０℃、３０分間のプリベークを行った。
【０１１０】
次いで、マスクを用いた露光と現像により、導電性薄膜の形状に対応する開口を形成、１２０℃，３０分間のポストベークを行ってレジストマスクを形成した。
【０１１１】
次いで、エッチャント（（ＮＨ4 ）Ｃｅ（ＮＯ3 ）6 ／ＨＣ１／Ｈ2 Ｏ＝１７ｇ／５ｃｃ／１００ｃｃ）に３０秒間浸漬し、マスク開口部のＣｒエッチングし、次いでアセトンによりレジストを剥離しＣｒマスクを形成した。
【０１１２】
次いで、有機Ｐｄ化合物の溶液（ｃｃｐ−４２３０：奥野製薬（株）製）をスピンナ−で塗布（８００ｒｐｍ、３０秒）し、３００℃，１０分間の焼成を行い、ＰｄＯ微粒子より成る導電性薄膜を形成した。
【０１１３】
次いで、上記エッチャントに再度浸漬して、Ｃｒマスクを除去し、リフトオフにより、所望のパターンの導電性薄膜４を形成した（図２（Ｂ））。
工程−ｃ：
次いで、上記の素子を図７に模式的に示した装置に設置し、不図示の排気装置により真空チャンバー３５内を排気し、圧力を１×１０−５＜−５乗＞Ｔｏｒｒ以下とした。次に、N2:98%-H2:2%の混合ガスを真空チャンバー３５内に導入した。真空チャンバーの圧力は１．３×１０−３＜−３乗＞Ｐａとした。次に、素子電極２，３の間に図３（Ｂ）に示すような、波高値が１０Ｖの一定の矩形波パルスを印加した。パルス幅Ｔ１は０．１ｍｓｅｃ．、パルス間隔Ｔ２は１６．６ｍｓｅｃ．とした。この条件で、約２０分間電圧を印加し続けたところ、フォーミングが完了した（図２（Ｃ））。
【０１１４】
上記パルスとパルスの間に、波高値０．１Ｖの矩形波パルスを挿入し、素子の抵抗値を測定し、これが１ＭΩを超えたところでパルス電圧の印加を止め、真空チャンバー３５を排気した。さらに、圧力が１×１０−７＜−７乗＞Ｔｏｒｒ以下となってから、素子を２００℃で２時間ベークし、導電性薄膜４を十分還元して金属Ｐｄ膜からなる導電性薄膜４とした。
【０１１５】
工程−ｄ：
素子が室温に戻り、圧力が１×１０−８＜−８乗＞Ｔｏｒｒ以下となってから、トルニトリルを導入し、圧力を１×１０−６＜−６乗＞Ｔｏｒｒとした。素子電極間に図１３に示すような波高値一定で極性を反転させる矩形波パルスを繰り返し印加した。なお、波高値は１５Ｖとした。
【０１１６】
工程−ｅ：
次いで、排気装置により真空チャンバー３５内を排気しながら、素子を３００℃に加熱し保持したところ、１×１０−９＜−９乗＞Ｔｏｒｒの圧力に到達した。
【０１１７】
素子を室温に戻した後、アノード電極３４に８ｋＶの電圧を印加し、素子電極間に波高値一定の矩形波パルスの電圧を印加して特性の測定を行った。なお、アノード電極３４と素子の間隔Ｈは４ｍｍにセットした。
【０１１８】
素子を一定時間駆動したところ、放出電流Ｉｅは十分に大きく、素子電流Ｉｆ及び放出電流Ｉｅの揺らぎは非常に小さかった。放出電流Ｉｅが大きく非常に安定な素子が得られた。
【０１１９】
上記特性を測定した素子と全く同様に作製した分析用の素子に対して、図４に示した反射型の電子エネルギー損失分光分析（ＲＥＥＬＳ）の測定装置を用いて、エネルギー損失スペクトルを測定した。なお、本実施例における測定は、電界放射型電子銃と同心半球型のエネルギー分析器を搭載した市販のオージェ電子分光分析装置を用いて行った。
【０１２０】
主な測定条件は、１次電子の加速エネルギー：約１ｋｅＶ、１次電子電流：約２ｎＡ、分析器動作モード：分解能一定モード（パスエネルギーは５〜２０ｅＶ）、装置内圧力：５×８−８＜−８乗＞Ｐａ以下とした。なお、本条件下での１次電子ビーム径は約１５０ｎｍであった。
【０１２１】
図１４に、このような条件で測定した反射電子のエネルギー損失スペクトルを示す。なお、図中にグラファイト（ＨＯＰＧ）、グラッシーカーボン（図６参照）で測定されたエネルギー損失スペクトルを比較のために合わせて示した。図１４において、損失エネルギーが４〜８ｅＶの範囲に観測されるピークはπプラズモンピークと呼ばれるもので、二重結合炭素に由来している。また、損失エネルギーが２０〜３０ｅＶの範囲に観測されるピークはπ＋σプラズモンピークと呼ばれるものである。
【０１２２】
図１４に示すように、本発明の電子放出素子上の炭素を有する膜１０のπプラズモンエネルギーとπプラズモンピーク強度は、単結晶グラファイトやグラッシーカーボンと比較すると、低エネルギー側にシフトしていながらピーク強度が強い特徴を有する。具体的な数値としては、πプラズモンエネルギーは５．１ｅＶであり、これはＨＯＰＧにおけるπプラズモンエネルギー（６．６４ｅＶ）の約７７％であった。一方、πプラズモンピーク強度は弾性散乱ピークの２．８％であり、これはＨＯＰＧにおけるπプラズモンピーク強度（弾性散乱ピークの３．４２％）の約８２％である。
【０１２３】
〔実施例２〕
本実施例は、図１５に模式的に示したマトリクス配線の電子源と、これを用いた画像形成装置（図１０）の製造方法である。図１５は本実施例により形成されたマトリクス配線の電子源の構成を模式的に示す部分平面図で、図１５中の折れ線Ａ−Ａ’に沿った断面の構造を図１６に示す。
【０１２４】
以下、図１７及び図１８を参照して、電子源の製造工程を説明し、さらに画像形成装置の製造工程も説明する。
工程−Ａ：
洗浄した青板ガラス上にシリコン酸化膜をスパッタリング法により０．５μｍ形成し、これを基板として、この上にＣｒ５ｎｍ、Ａｕ６００ｎｍを真空蒸着法により順次成膜した後、フォトレジストＡＺ１３７０（ヘキスト社製）を用い、フォトリソグラフィー技術により下配線８２を形成した（図１７（Ａ））。
【０１２５】
工程−Ｂ：
次いで、厚さ１μｍのシリコン酸化膜より成る層間絶縁層１５１をスパッタリング法により堆積する（図１７（Ｂ））。
【０１２６】
工程−Ｃ：
層間絶縁層にコンタクトホール１５２を形成するためのフォトレジストパターンを作成、これをマスクとしてＣＦ4 とＨ2 を用いたＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎ  Ｅｃｈｉｎｇ）法により、層間絶縁層１５１をエッチングした（図１７（Ｃ））。
【０１２７】
工程−Ｄ：
素子電極のパターンに対応する開口を有するフォトレジスト（ＲＤ−２０００Ｎ−４１：日立化成社製）のマスクパターンを形成し、真空蒸着法比より５ｎｍのＴｉ、１００ｎｍのＮｉを順次堆積、次いで有効溶剤によりフォトレジストを除去してリフトオフにより素子電極５，６を形成した。素子電極の間隔Ｌは３μｍとした（図１７（Ｄ））。
【０１２８】
工程−Ｅ：
工程−Ａと同様のフォトレジストを用いたフォトソリグラフィー法により、５ｎｍのＴｉ、５００ｎｍのＡｕの積層構造を有する上配線８３を形成した（図１８（Ｅ））。
【０１２９】
工程−Ｆ：
実施例１の工程−ｂと同様のＣｒマスク１９１を用いたリフトオフにより、ＰｄＯ微粒子より成る導電性薄膜４を形成した（図１８（Ｆ））。
【０１３０】
工程−Ｇ：
コンタクトホール１５２以外を覆うレジストパターンを形成し、真空蒸着により、５ｎｍのＴｉ、５００ｎｍのＡｕを順次堆積し、レジストパターンを除去して不要な積層膜を除去してコンタクトホールの埋め込みを行い、フォーミング前の電子源基板を作成した（図１７（Ｇ））。
【０１３１】
上記電子源基板を用い、図１０に示す構成の画像形成装置を作成した。
電子源の基板８１をリアプレート９１に固定し、基板の５ｍｍ上方にフェースプレート９６を支持枠９２を介して配置し、接合部にフリットガラスを塗布し窒素雰囲気中で４００℃に１０分間保持して接合し、外囲器９８を形成した。フェースプレート９６の内面には蛍光膜９４及びメタルバック９５が形成されている。蛍光膜９４はストライプ形状（図１１（Ａ））のものを採用し、印刷法により形成した。黒色導電材はグラファイトを主成分とする材質を用いた。メタルバックは９５、蛍光膜９４の内面を平滑処理（フィルミング）した後、Ａｌを真空蒸着することにより形成した。
【０１３２】
上記の組立を行う際、蛍光体と電子放出素子との対応を正確に行う必要があり、十分に位置合わせを行った。なお、外囲器内にはゲッタ装置（不図示）も取り付けられる。
【０１３３】
工程−Ｈ：
上記外囲器内を不図示の排気装置で排気し、実施例１の工程−ｃと同様にN2:98%-H2:2%の混合ガスを外囲器内に導入した後、矩形波パルスを印加しフォーミング工程を行い、各導電性薄膜に間隙を形成した。さらに、外囲器内を排気しながら加熱し、十分に導電性薄膜４を還元した。
【０１３４】
工程−Ｉ：
続いて、実施例１の工程−ｄと同様にして、外囲器内にトルニトリルを導入して活性化処理を行った。
【０１３５】
工程−Ｊ：
実施例１の工程−ｅと同様に外囲器内を排気しながら加熱し、安定化処理を行った結果、約３時間で内部の圧力が１×１０−８＜−８乗＞Ｔｏｒｒに到達した。
【０１３６】
以上の工程によって作成された上記外囲器に不図示の駆動回路を取り付け、メタルバックに１０ｋVの高電圧を印加し、ＴＶ信号（ＮＴＳＣ信号）を入力して画像を表示させたところ、輝度むらの無い高精細な画像が長時間に亘って安定に得られた。
【０１３７】
【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おいては、炭素含有膜部材のπプラズモン損失エネルギーが単結晶グラファイトのπプラズモン損失エネルギーの約７０％以上、約９０％以下の範囲にあり、かつπプラズモン損失ピークの強度が単結晶グラファイトのπプラズモン損失ピーク強度の約７０％以上であるという特徴を有するため、放出電子量が大きく、長時間に亘って安定な素子特性を実現できる。
【０１３８】
これは、炭素含有膜部材が、結晶子径が小さくかつπ電子密度が高い炭素材料からなるために、その対向間隙の間隙幅を均一に形成でき、かつこの間隙に十分な実効電圧を印加することができ、さらに、電子放出される電子量が大きいという、効果を示しているものと考えられる。
【０１３９】
また、本発明の電子放出素子を用いた電子源及び画像形成装置にあっては、高輝度な画像が長時間に亘って安定に得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態の電子放出素子の構成を示す模式的平面図及び断面図。
【図２】  一実施の形態の電子放出素子の製造工程の一部を示す。
【図３】  一実施の形態の電子放出素子の製造工程の一部であるフォーミング処理工程に用いることのできる電圧波形の一例を示す。
【図４】  電子放出素子を分析するための装置の概略構成図。
【図５】  一実施の形態の電子放出素子の炭素を有する膜のπプラズモン損出エネルギーとπプラズモン損出ピーク強度との関係を説明するための図。
【図６】  標準カーボン試料の素子のＸ線回折、ラマン分光分析、反射電子エネルギー損失分光分析の結果を示す図。
【図７】  測定評価機能を備えた真空処理装置の一例を示す構成図。
【図８】  一実施の形態の電子放出素子の放出電流Ｉｅと素子電流Ｉｆと素子電圧Ｖｆとの関係を示す。
【図９】  一実施の形態の電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源に適用した一例を示す構成図。
【図１０】  一実施の形態の電子放出素子を画像形成装置に適用した一例を示す構成図。
【図１１】  蛍光膜の一例を示す構成図。
【図１２】  一実施例の画像形成装置をＮＴＳＣ方式のテレビ信号に応じて表示を行う例の駆動回路の構成図。
【図１３】  一実施の形態の電子放出素子の製造工程の一部である活性化処理工程に用いることのできる電圧波形の一例を示す。
【図１４】  一実施の形態の電子放出素子のエネルギー損失スペクトルを示す図。
【図１５】  一実施の形態の電子放出素子を単純マトリクス配置した電子源に適用した一例を示す構成図。
【図１６】  図１５中の折れ線Ａ−Ａ’に沿った部分断面図。
【図１７】  実施例に係わる電子源の製造工程の一部を説明するための図。
【図１８】  実施例に係わる電子源の製造工程の一部を説明するための図。
【図１９】  従来の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。
【符号の説明】
１  基板
２、３  電極
４  導電性薄膜
５  電子放出部
６  導電性薄膜の一部に形成された間隙
７  炭素を有する膜（堆積物／カーボン膜）１０間の間隙
１０  炭素を有する膜（堆積物／カーボン膜）
３０  素子電極２，３間の導電性薄膜４を流れる素子電流Ｉｆを測定するための電流計
３１  電子放出素子に素子電圧Ｖｆを印加するための電源
３２  電子放出素子から放出された放出電流Ｉｅを測定するための電流計
３３  アノード電極３４に電圧を印加するための高圧電源
３４  電子放出素子から放出される電子を加速及び捕捉するためのアノード電極
３５  真空装置（真空チャンバー）
８１  電子源基板
８２  Ｘ方向配線
８３  Ｙ方向配線
８４  電子放出素子
８５  結線
９１  リアプレート
９２  支持枠
９３  ガラス基板
９４  蛍光膜
９５  メタルバック
９６  フェースプレート
９８  外囲器
１０１  黒色部材
１０２  蛍光体
１５１  層間絶縁層
１５２  コンタクトホール
【図１】
0003639739.tif 000002
【図２】
0003639739.tif 000003
【図３】
0003639739.tif 000004
【図４】
0003639739.tif 000005
【図５】
0003639739.tif 000006
【図６】
0003639739.tif 000007
【図７】
0003639739.tif 000008
【図８】
0003639739.tif 000009
【図９】
0003639739.tif 000010
【図１０】
0003639739.tif 000011
【図１１】
0003639739.tif 000012
【図１２】
0003639739.tif 000013
【図１３】
0003639739.tif 000014
【図１４】
0003639739.tif 000015
【図１５】
0003639739.tif 000016
【図１６】
0003639739.tif 000017
【図１７】
0003639739.tif 000018
【図１８】
0003639739.tif 000019
【図１９】
0003639739.tif 000020