(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子であって、
Ｃｓを分散状態で含有させた非晶質炭素膜であり且つそのＣｓ含有量が  ０．１原子％≦Ｃｓ≦１．８原子％である非晶質炭素膜より構成され、
前記非晶質炭素膜に含まれているＣｓのＸＰＳ半値幅ｗが  ｗ≧１．７５ｅＶであることを特徴とする冷陰極素子。
【請求項２】
前記非晶質炭素膜は、負イオンビームを用いるイオンビーム蒸着法により形成された、請求項１記載の冷陰極素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子放出素子としては熱陰極素子と冷陰極素子とが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
熱陰極素子は真空管に代表される分野に用いられているが、熱を付与するために集積化が困難である、といった問題がある。一方、冷陰極素子は熱を用いないため集積化が可能な素子として、フラットパネルディスプレイ、電圧増幅素子、高周波増幅素子等への応用が期待されている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能な、実用性の高い前記冷陰極素子を提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため本発明によれば、電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子であって、Ｃｓを分散状態で含有させた非晶質炭素膜であり且つそのＣｓ含有量が０．１原子％≦Ｃｓ≦１．８原子％である非晶質炭素膜より構成され、前記非晶質炭素膜に含まれているＣｓのＸＰＳ半値幅ｗが  ｗ≧１．７５ｅＶである冷陰極素子が提供される。
【０００６】
Ｃｓは原子半径（２．６２Å）の大きな元素であるため、母相となる非晶質炭素膜（Ｃの原子半径：０．７７Å）に対しその構造を乱す働きをする。その乱れによっては局所的に高密度化させることが可能となる。しかしながら、Ｃｓ含有量が多すぎる（Ｃｓ＞１．８原子％）とＣｓは単体で安定化し、母相に対する構造の乱れ度合が小さくなる（相互作用が小さい）。逆にＣｓ含有量が少ない（Ｃｓ＜０．１原子％）場合、Ｃｓ自体の影響力が弱くなる。ＣｓのＸＰＳ半値幅ｗはＣｓの存在状態の安定度（居心地の良否）を示す指標となり、その半値幅ｗがｗ≧１．７５ｅＶと広い場合、もっとも母相に対して影響を及ぼしていると考えられる。この場合、膜は高密度化されていることになるため、過剰電子を生じ、その結果、低い印加電圧によっても高電界放出化が可能となる。
【０００７】
前記非晶質炭素膜は単体で用いられる外、例えばＳｉよりなる冷陰極素子の性能向上を図るべく、その素子の表面被膜層構成材料としても用いられる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は陰極ユニット１を示し、その陰極ユニット１はＡｌ製陰極板２と、その表面に形成された冷陰極素子３とよりなる。その冷陰極素子３は、Ｃｓ含有量が０．１原子％≦Ｃｓ≦１．８原子％である非晶質炭素膜より構成され、そのＣｓのＸＰＳ半値幅ｗはｗ≧１．７５ｅＶである。
【０００９】
Ｃｓは原子半径（２．６２Å）の大きな元素であるため、母相となる非晶質炭素膜（Ｃの原子半径：０．７７Å）に対しその構造を乱す働きをする。その乱れによっては局所的に高密度化させることが可能となる。しかしながら、Ｃｓ含有量が多すぎる（Ｃｓ＞１．８原子％）とＣｓは単体で安定化し、母相に対する構造の乱れ度合が小さくなる（相互作用が小さい）。逆にＣｓ含有量が少ない（Ｃｓ＜０．１原子％）場合、Ｃｓ自体の影響力が弱くなる。ＣｓのＸＰＳ半値幅ｗはＣｓの存在状態の安定度（居心地の良否）を示す指標となり、その半値幅ｗがｗ≧１．７５ｅＶと広い場合、もっとも母相に対して影響を及ぼしていると考えられる。この場合、膜は高密度化されていることになるため、過剰電子を生じ、その結果、低い印加電圧によっても高電界放出化が可能となる。
【００１０】
さらに、Ｃｓは非晶質炭素膜内だけでなく、その表面にも多数点在する。この場合、Ｃｓが活性であることから、膜表面のＣｓは空気中の酸素と化合して安定な酸化物となる。その結果、膜表面の多数のＣｓ酸化物は多数の電気絶縁性ポイントを形成するので、膜表面に電界を印加すると、それら電気絶縁性ポイントを除いた部分に電界が集中し、これによっても冷陰極素子３の電界放出特性の向上が図られる。
【００１１】
非晶質炭素膜はイオンビーム蒸着法により形成され、その形成に際し、入射イオンとしてＣｓイオンを用い、また形成条件を調整することによってＣｓを非晶質炭素膜に均一に含有させることが可能となる。イオンビーム蒸着法においては、正イオンビームまたは負イオンビームが用いられる。この場合、非晶質炭素膜の原子密度は正イオンビーム蒸着法によるもの、負イオンビーム蒸着法によるもの、の順に高くなる、つまり、導電性はこの順序で強くなり、放出電界はこの順序で低くなる。この原子密度の差は、負イオンの内部ポテンシャルエネルギ（電子親和力）が正イオンのそれ（電離電圧）よりも低いことに起因する。
【００１２】
以下、具体例について説明する。
〔負イオンビーム蒸着法による非晶質炭素膜の形成〕
図２は公知の超高真空型負イオンビーム蒸着装置（NIABNIS:Neutral and Ionized
Alkaline metal bombardment type heavy Negative Ion Source)を示す。その装置は、センタアノードパイプ５、フィラメント６、熱遮蔽体７等を有するＣｓプラズマイオン源８と、サプレッサ９と、高純度高密度炭素よりなるターゲット１０を備えたターゲット電極１１と、負イオン引出し電極１２と、レンズ１３と、マグネット１４を有する電子除去体１５と、偏向板１６とを備えている。
【００１３】
非晶質炭素膜３（便宜上、冷陰極素子と同一の符号を用いる）の形成に当っては、（ａ）図２に示すように、各部に所定の電圧を印加する、（ｂ）Ｃｓプラズマイオン源８によりＣｓの正イオンを発生させる、（ｃ）Ｃｓの正イオンによりターゲット１０をスパッタしてＣ等の負イオンを発生させる、（ｄ）サプレッサ９を介して負イオン引出し電極１２により負イオンを引出して負イオンビーム１７を発生させる、（ｅ）レンズ１３により負イオンビーム１７を収束する、（ｆ）電子除去体１５により負イオンビーム１７に含まれる電子を除去する、（ｇ）偏向板１６により負イオンのみを陰極板２に向けて飛行させる、といった方法を採用した。
【００１４】
図３は負イオンビーム１７の質量スペクトルを示す。この負イオンビーム１７の主たる負イオンは構成原子数が１であるＣ- イオンと構成原子数が２である
Ｃ2 - イオンである。ただし、イオン電流はＣ- ＞Ｃ2 - である。
【００１５】
前記方法により得られた非晶質炭素膜３の例１〜６について、図４に示す方法で放出電界の測定を行った。即ち、電圧調整可能な電源１８にＡｌ製導電板１９を接続し、その導電板１９上に、中央部に縦０．８cm、横０．８cm（０．６４cm2 ）の開口２０を有する厚さ１５０μｍのカバーガラス２１を載せ、また、そのカバーガラス２１上に陰極ユニット１の非晶質炭素膜３を載せ、さらに、その陰極板２に電流計２２を接続した。次いで、電源１８より導電板１９に所定の電圧を印加して、電流計２２により電流を読取った。そして、測定電流と開口２０の面積とから、放出電流密度（μＡ／cm2 ）を求め、実用性を考慮して、その放出電流密度が８μＡ／cm2 に達したとき、それに対応する電圧とカバーガラス２１の厚さとから放出電界（Ｖ／μｍ）を求めた。
【００１６】
表１は例１〜６に関するＣｓ含有量、ＸＰＳ半値幅ｗ、放出電界、非晶質炭素膜の形成条件を示す。
【００１７】
【表１】
0004545864.tif 000002
【００１８】
表１から明らかなように、例３〜５のごとく、Ｃｓ含有量を０．１原子％≦Ｃｓ≦１．８原子％に、またＣｓのＸＰＳ半値幅ｗをｗ≧１．７５ｅＶにそれぞれ設定すると、非晶質炭素膜３の放出電界を大いに低くすることができる。なお、ＸＰＳ半値幅ｗがｗ≧２．０ｅＶの状態は、Ｃｓ含有量の増加を意味し、その場合前記のように個々に安定化するため、前記のような膜形成方法においては起こりえない。
【００１９】
この種の冷陰極素子は、フラットパネルディスプレイ、電圧増幅素子、高周波増幅素子、高精度至近距離レーダ、磁気センサ、視覚センサ等に応用される。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、前記のように構成することによって、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能な、実用性の高い冷陰極素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  陰極ユニットの断面図である。
【図２】  超高真空型負イオンビーム蒸着装置の概略図である。
【図３】  前記装置によるビームスペクトルである。
【図４】  放出電界測定方法の説明図である。
【符号の説明】
１      陰極ユニット
２      陰極板
３      冷陰極素子（非晶質炭素膜）
【図１】
0004545864.tif 000003
【図２】
0004545864.tif 000004
【図３】
0004545864.tif 000005
【図４】
0004545864.tif 000006