(57)【要約】【課題】ＳＰ3結合性ＢＮを用いて均一に帯電できる電界放出現象を利用した帯電器を提供する。【解決手段】絶縁性基板１１と、前記絶縁性基板１１上に形成した下部電極１２と、前記下部電極１２上に形成したＳＰ3結合性ＢＮ膜１４を有し、前記下部電極１２の電流制御により、前記ＳＰ3結合性ＢＮ膜１４から電界放出を行う帯電器１０１において、前記下部電極１２は、所定の間隔を有して分割し、当該下部電極１２による電流制御を独立に行うことを特徴とする。下部電極１２が分割されているので、任意の位置で電流制御を行うことができる。その制御により、電流値の不均一性を改善することが可能である。また、下部電極１２が分割されているので、帯電電位が降下する領域を、限定した領域に抑えることができ、画像形成上の問題が解消される。【選択図】図１
2007240722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板と、
前記絶縁性基板上に形成した電極と、
前記電極上に形成したＳＰ3結合性窒化ホウ素体を有し、
前記電極の電流制御により、前記ＳＰ3結合性窒化ホウ素体から電界放出を行う帯電器において、
前記電極は、所定の間隔を有して分割し、当該電極による電流制御を独立に行うことを特徴とする帯電器。
【請求項２】
前記ＳＰ3結合性窒化ホウ素体は、前記絶縁性基板の面と平行方向に絶縁性を有し、前記絶縁性基板の面と垂直方向に導電性を有するような導電率の異方性を有することを特徴とする請求項１に記載の帯電器。
【請求項３】
前記電極と前記ＳＰ3結合性窒化ホウ素体の間に、当該ＳＰ3結合性窒化ホウ素体の成長用触媒を有することを特徴とする請求項１または２に記載の帯電器。
【請求項４】
前記電極はＮｉを含有することを特徴とする請求項１または２に記載の帯電器。
【請求項５】
前記絶縁性基板と前記電極の間に剥離防止体を有することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の帯電器。
【請求項６】
前記剥離防止体はＣｒを含有することを特徴とする請求項５に記載の帯電器。
【請求項７】
前記電極の電流制御により、当該電極の発熱を制御して前記絶縁性基板の温度を制御し、前記ＳＰ3結合性窒化ホウ素体の成長を制御することを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の帯電器。
【請求項８】
前記電極の分割の方向は、画像形成装置が有する像担持体の回転方向に対して有限の角度を有することを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の帯電器。
【請求項９】
請求項１から８に記載の帯電器と、
像担持体と、
露光装置と、
現像装置を有する画像形成装置において、
前記帯電器に画像情報を転送し、当該画像情報に基づいて前記電極による電流制御を行うことを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規な材料によって電子放出を行う帯電器及びこの帯電器を用いた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像形成装置における従来の帯電方式はコロナ放電を用いたコロトロン、スコロトロンが主流であった。しかし、コロナ放電は、空気中に電界をかけることから、オゾンやＮＯｘなど有害物質を大量に発生することや、帯電効率が低いために消費電力が多く、また４ｋ〜６ｋＶの高圧電源が必要なためコストが高く、かつ、人体に対し危険性があるといった欠点があった。近年の環境に対する配慮から、このような帯電方式を改善することは急務であり、ローラー帯電へと移行されつつある。
【０００３】
ローラー帯電とは、例えば、画像形成装置の場合では、導電性ゴムローラーを感光体などの被帯電体と接触させ、被帯電体と帯電ローラーの微小空隙で放電を起こし、被帯電体表面を帯電させる方法であり、コロトロンと比較して、オゾンの発生が著しく低減（１／１００〜１／５００に低減）されている。このような方法は、たとえば、特許文献１〜３などに示されている。しかしながら、帯電ローラーも被帯電体と帯電ローラー間の微小空隙に電圧を加えコロナ放電を起こすことから、原理的にオゾン発生をゼロにはできない。また、オゾンが被帯電体近傍で発生するため、オゾンによる被帯電体の劣化は依然として課題として残る。
【０００４】
被帯電体の劣化の原因は諸説あるが、その１つとして、放電による不要生成物（オゾンやＮＯｘ）などが、被帯電体表面と化学結合することによっているという説がある。化学結合の原因にはオゾンの強い酸化力やＮＯｘなどが作る窒化物などが考えられている。このようなことからも、帯電工程で、できるだけ不要物を生成しないことが望まれる。またローラー型はコロナに比べ、はるかにオゾンの発生位置が被帯電体の近傍であるため、オゾンによる被帯電体の劣化は依然として課題として残る。また、近年、感光体を劣化させる要因として、感光体近傍の高電界などが疑われている。このような懸念事項を払拭する上でも、低電圧での帯電方式が望まれている。また、原理上、放電はパッシェンの法則による閾値が存在し、それ以上に電圧を印加しなければ帯電を施すことができない。このため、例えば１００Ｖに帯電したい場合などは、電荷注入では１５０Ｖであるのに対し、放電では数百Ｖの印加が必要となる。今後の低電圧現像が実現したとしても、閾値以上の電圧を印加しなければならず、メリットが薄れる。可能であるならば、必要な表面電位と同程度の印加電圧で満足する方法が望まれる。
【０００５】
近年ではこのような背景のもと、非接触でかつ放電を用いない電界放出を利用した帯電方法が研究されつつあり、非特許文献１においてその可能性が報告されている。帯電器表面に微小突起物や電界放出能力の高い材料を構成することで、電界放出を低電圧で起こすことをポイントとしている。これによって、パッシェンの法則の閾値以下での帯電が可能になり、オゾンのような副生成物なども少なく、感光体へのダメージも低減できるとされている。
【０００６】
これを受けて、近年、いろいろな電子放出材料が提案されているが、その実用化に際しては、高電圧に対する耐性が高いこと、電流密度が大きくとれることが特に要求される。現在盛んに開発されている新材料の一つとしてカーボンナノチューブが挙げられるが、この材料は著しく放出特性が優れているわけではなく、利用に際しては電流密度を向上させるために工夫が必要である。具体的には成長位置を制御・パターン化して薄膜成長させたり、プリント転写技術を利用して、電子放出性に適った形状にエッチングするなどの加工が必要となる。しかしながら、このような手間のかかる困難な加工を施しても、その結果得られる性能は、電流密度がせいぜいｍＡ／ｃｍ2オーダーにとどまっているのが現状であった。更に、使用電界強度には限界があり、限界以上では材料の劣化、剥落が生じ、高電圧下で長時間にわたる使用には耐えられないものであった。
【０００７】
一方、特許文献４に示されるＳＰ3結合性５Ｈ−ＢＮ（ＢＮ：ボロンナイトライド／窒化ホウ素）（以下、「ＳＰ3結合性ＢＮ」と記す。）は、このような現状を踏まえ、更に、今後この種の電界電子放出技術がますます盛んになるこという予測に基いて開発された材料であり、高い耐電界強度を有し、かつ、長時間の使用時でも電子を高効率（高電流密度）で安定して放出することができる材料である。もともとＢＮは高温ルツボにも使用されているように、大気中高温下でも極めて高安定な材料であり、これを使用した電子放出素子は高効率で、安定かつ劣化の極めて少ない電界電子放出特性を示す。ＳＰ3結合性ＢＮの詳細説明および定義付けは後ほど行う。
【特許文献１】特開平７−９２６１７号公報
【特許文献２】特開昭６４−７３３６５号公報
【特許文献３】特開昭６４−５４４７１号公報
【特許文献４】特開２００５−７６０３５号公報
【非特許文献１】ＪａｐａｎＨａｒｄＣｏｐｙ９７予稿集Ｐ２２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＳＰ3結合性ＢＮを用いた従来の電界放出型帯電器では、ＳＰ3結合性ＢＮの面内において均一な帯電電圧を実現することが課題となっている。これは面内のＳＰ3結合性ＢＮの膜厚制御および、体積抵抗値の制御が難しく、面内で電流値が不均一であることが要因であることが判った。また、感光体に存在するピンホール部などの帯電電位が降下する領域も抵抗値が大きく異なるため電流が集中し、一時的に電圧低下を招き、この周辺の帯電電位が低下する。この帯電電位の不均一性は画像形成上、致命的な問題であり、この不均一性を制御する機構が求められている。このような事情を鑑みて、本発明では、均一に帯電できる電界放出現象を利用した帯電器および、それを利用した高品質の画像を形成する画像形成装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する本発明の態様は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成した電極と、前記電極上に形成したＳＰ3結合性窒化ホウ素体を有し、前記電極の電流制御により、前記ＳＰ3結合性窒化ホウ素体から電界放出を行う帯電器において、前記電極は、所定の間隔を有して分割し、当該電極による電流制御を独立に行うことを特徴とする帯電器に関するものである。
【００１０】
ここで、前記ＳＰ3結合性窒化ホウ素体は、前記絶縁性基板の面と平行方向に絶縁性を有し、前記絶縁性基板の面と垂直方向に導電性を有するような導電率の異方性を有することを特徴とする。
【００１１】
また、前記電極と前記ＳＰ3結合性窒化ホウ素体の間に、当該ＳＰ3結合性窒化ホウ素体の成長用触媒を有することを特徴とする。
【００１２】
また、前記電極はＮｉを含有することを特徴とする。
【００１３】
また、前記絶縁性基板と前記電極の間に剥離防止体を有することを特徴とし、前記剥離防止体はＣｒを含有すると良い。
【００１４】
また、前記電極の電流制御により、当該電極の発熱を制御して前記絶縁性基板の温度を制御し、前記ＳＰ3結合性窒化ホウ素体の成長を制御することを特徴とする。
【００１５】
また、前記電極の分割の方向は、画像形成装置が有する像担持体の回転方向に対して有限の角度を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の他の態様は、上記帯電器と、像担持体と、露光装置と、現像装置を有する画像形成装置において、前記帯電器に画像情報を転送し、当該画像情報に基づいて前記電極による電流制御を行うことを特徴とする画像形成装置に関するものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の帯電器は、電極が分割されているので、任意の位置で電流制御を行うことができる。その制御により、電流値の不均一性を改善することが可能である。また、電極が分割されているので、帯電電位が降下する領域を、限定した領域に抑えることができ、画像形成上の問題が解消される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の帯電器等を実施するための最良の形態について説明する。説明する際には、本明細書と同時に提出する図面を適宜参照する。
【００１９】
ＳＰ3結合性ＢＮを用いた従来の電界放出型帯電器では、ＳＰ3結合性ＢＮの面内において均一な帯電電圧を実現することが求められているところ、本形態の帯電器は図１に示すように、本形態の帯電器１０１は電極（下部電極１２）が分割されているので、任意の位置での電流制御ができ、電流値の不均一性を改善することが可能である。また、下部電極１２が分割されているので、感光体に存在するピンホール部などの帯電電位が降下する領域を限定でき、画像形成上の問題が解消される。
【００２０】
ただ、下部電極を分割し独立に電流制御するためには、隣接する下部電極同士で電流が流れるクロストークが生じては電流制御が困難になる。ＳＰ3結合性ＢＮ膜を分割するようなプロセスを施す方法もあるが、ＳＰ3結合性ＢＮはセラミックスであり、一般的なドライエッチング技術では加工が難しい。本形態の帯電器はＳＰ3結合性ＢＮに導電率の異方性を持たせた。ＳＰ3結合性ＢＮは後述する方法を利用することで、導電率の異方性を施すことができる。この異方性は図１の絶縁性基板１１の基板面に平行な方向にはほぼ絶縁体となり、かつ、基板面に対して垂直な方向では高い導電率を示すものである。垂直な方向に導電率があることで、電界放出能力を低減することはない。また、絶縁性基板１１に対して平行方向に絶縁体であることから、隣接する電極へのクロストークも抑えることができる。
【００２１】
また、従来のＳＰ3結合性ＢＮ膜の成膜はSi基板上に行われてきた。しかし、本形態のように下部電極１２を分割するためには、分割された電極の上にＳＰ3結合性ＢＮを成膜することが望まれる。しかし、一般的な金属の上にはＳＰ3結合性ＢＮは形成できない。分割された金属の上にＳＰ3結合性ＢＮを形成する方法が求められる。分割した下部電極１２の上には触媒機能を有する層が必要であるところ、本形態の帯電器は図１、３に示すように、下部電極１２層の上に触媒層１５としてＳｉ膜を形成することによって、ＳＰ3結合性ＢＮの成長が下部電極１２の直上に行えるようなった。ＳＰ3結合性ＢＮ膜を成膜するにあたり、特許文献４に示されるように、Ｓｉ基板が触媒になることが知られているが、今回はスパッタやＣＶＤで成膜したＳｉでもその機能が発現することが判った。Ｓｉは単結晶でもよいがアモルファス状態でも良い。メカニズムは不明であるが、窒素がＳｉと結合しやすいため、雰囲気中に存在する窒素をＳｉ内取り込むことができるためだと思われる。この窒素リッチになったＳｉ表面にホウ素が結合し、ＳＰ3結合性ＢＮが成長すると思料する。
【００２２】
また、従来のＳＰ3結合性ＢＮ膜において、成膜はＳｉ基板上に行われてきた。Ｓｉ基板上ではＳｉが触媒機能を有しており、ＳＰ3結合ＢＮ膜が成長することが知られている。上述のように、触媒層１５として、Ｓｉを成膜する方法がとられているが、この方法ではＳｉを別途成膜する必要があり、工程が増える。Ｓｉを成膜することなく、ＳＰ3結合性ＢＮを成膜する方法が望まれる。ＳＰ3結合性ＢＮの成長には触媒層が必要である。触媒としてはＳｉが特許文献４によって公開されているが、それ以外には知られていない。
今回、様様な材料を試みたところ、ＮｉにおいてＳＰ3結合性ＢＮが成長する事がわかった。Ｎｉは触媒機能として働き、成膜時の雰囲気ガスの窒素を触媒層に取り込み、ＳＰ3結合性ＢＮの成長を促すと思われる。そこで本形態の帯電器は図１、３に示すように、今回下部電極１２として、Ｎｉを用いることで、この触媒機能と電極機能とを同時に担うことが可能となることが判った。これにより、先の触媒層を作成することなく、作製工程を少なくすることができる。
【００２３】
また、ＳＰ3結合性ＢＮの成膜に必要な加熱および光照射によって、下部電極の絶縁基板との間で起きる剥離が問題となっている。従来の半導体プロセスでは、一般的な密着性を指標に電極材料を選択してきたが、今回のＳＰ3結合性ＢＮを成膜する際に必要な加熱および光照射は非常に特異なプロセスである。また、ＳＰ3結合性ＢＮの成膜時のメカニズムは未だ不明な点が多く存在するが、下部電極がＮｉの場合では、Ｎｉが窒素を一度内部に溶融し過飽和状態になった窒素がホウ素（Ｂ）と結合してＳＰ3結合性ＢＮが析出するものと考えられる。この際に窒素を過飽和に含有したＮｉが基板との密着性を低下させ剥離することが考えられる。この特異なプロセスに耐えうる金属材料もしくは改善プロセスが必要とされている。本形態の帯電器は図６に示すように、下部電極１２と絶縁性基板１１との間に下地層１６を形成した。この下地層１６はＣｒなどによって形成され、密着性を向上し、ＳＰ3結合性ＢＮ成膜時における剥離を改善することできた。また、ＳＰ3結合性ＢＮの成膜プロセスにおいても、Ｃｒは高い融解温度をもつ性質から、窒素の溶融をほとんどしていないことが予想される。これによって、窒素の基板への拡散を防ぎ、効率的にＳＰ3結合性ＢＮの生成を促し、かつ基板との密着を保持できている。
【００２４】
また、下部電極を分割し、電気的に独立した電流制御を行うためには、ＳＰ3結合性ＢＮ膜も分割する必要がある。しかし、従来のＭＥＭＳの半導体プロセスで用いてきた深堀り用のＲＩＥ（反応性イオンエッチング）プロセスをＳＰ3結合性ＢＮへ適応することは難しい。これはＳＰ3結合性ＢＮがセラミックであり、一般的な反応性ガスとの化学反応が乏しいことが挙げられる。石英などを深堀りエッチングするフッ素系のガスは窒化物であるＳＰ3結合性ＢＮとの化学反応は乏しいため、数μｍを超えるエッチングは難しい。ＳＰ3結合性ＢＮ膜を簡便にパターニングする方法が求められている。そこで本形態の帯電器は下部電極１２の任意の領域を高抵抗にしたことによって、ＳＰ3結合性ＢＮの成膜時に電流を流すことで選択的に温度を上昇することができる。たとえば、Ｎｉ膜の膜厚を制御することで抵抗率を制御し、Ｎｉの薄い領域には電流を流した場合に発熱が起きる。ＳＰ3結合性ＢＮ成膜時にこの発熱を制御することで、基板温度を任意の領域および任意の温度に制御することができる。ＳＰ3結合性ＢＮの成膜は基板温度に対し、高い依存性を示すことが判っている。この温度依存性をデーターベース化し、ＳＰ3結合性ＢＮの成膜に利用する。この方法を用いれば、任意の領域に選択的にＳＰ3結合性ＢＮが成長でき、従来の方法では困難であったＳＰ3結合性ＢＮ膜のパターニングが可能となる。ＳＰ3結合性ＢＮ膜がパターニングできることで下部電極を分割した隣接電極間でのクロストークが低減できる。
【００２５】
上述したように、帯電電位の不均一性は画像形成上、致命的な問題となる。この不均一性を制御する機構が求められている。特に、下部電極１２を分割した場合においては、電極と電極の間に帯電できない領域が存在する。これを回避する手段が必要である。本形態の画像形成装置に搭載した帯電器は下部電極１２を像担持体の回転方向に対し、斜めに分割する（図１参照）。斜めに分割することで、電極の無い部分での帯電電位の分布が出ないようにすることができる。これは電極が無い領域が像担持体の回転によって、見かけ上、横方向に移動し、帯電電位を均一化するようになる。これにより、帯電電位を均一化することができる。
【００２６】
また、均一の帯電電位を施し、品質の良い画像形成を行うことが求められている。しかし、均一の帯電を施しても、露光する際に制御された露光を行わないと、品質の良い画像を形成できない。本形態の画像形成装置は帯電する際に必要とされている画像情報を取り込み、必要な位置に必要な帯電電位を施す。これにより、露光によって画像状態が乱れることなく、品質の良い画像形成が可能になる。
【００２７】
以下、上記形態の具体的な実施形式を説明していく。
【実施例１】
【００２８】
本実施例の画像形成装置を図２に示す。画像形成装置は帯電装置、像担持体６１と現像装置６３などからなる。帯電装置は帯電器１０１と帯電器カバー１００を有して構成されている。像担持体６１は一般的に利用されている有機感光体を利用した。本実施例では帯電器１０１によって、均一に帯電された感光体にレーザー光Lによって潜像を形成し、それを現像装置６３によってトナーによる像に変換する。それを紙に転写することで画像形成をなすものである。
【００２９】
帯電器１０１は図２に示すように像担持体６１に接近し、空隙Ｇだけ離れた状態で配置される。像担持体６１との空隙Gの距離は、印加電圧や電界放出能力などのパラメーターによっても大きく異なるが、１μｍ〜１０ｍｍの間であればよく、今回は５０μｍ程度に制御した。
【００３０】
帯電器１０１の拡大図を図１、３に示す。図１は帯電器１０１を像担持体側から見た図であり、図３は帯電器１０１の短手方向の断面図を示している。絶縁性基板１１の上に下部電極１２、触媒層１５、その上にＳＰ3結合性ＢＮ膜１４が形成されている。絶縁性基板１１はＳｉや石英、ポリマー基板、サファイヤ基板など様々な材料を利用することができる。今回は大型の基板を低コストで入手できることから石英基板を利用した。石英基板は研磨処理を施し、その平坦性はＲａ＜１０ｎｍ以下になるように仕上げた。下部電極１２は厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍの範囲であればよく、今回は１００ｎｍ程度とした。下部電極１２の材料はＮｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｃｏ、Ｐｂ、Ｒｕ、Ｔａなど、いかなる金属材料でも構わない。今回は生産性、耐熱性などの面で優れているＣｒを利用した。
【００３１】
下部電極１２は像担持体６１の回転方向に対し、斜めに分割されている。斜めに分割することで、電極の無い部分での帯電電位の分布が出ないようにするためである。像担持体６１の回転方向と分割方向とのなす角は１°〜８９°の中であれば、帯電電位の均一効果は見られるが、今回は４０°程度にした。電極間の距離は１μｍ〜１０μｍ程度がよく、今回は２μｍ程度にした。電極の分割数は２〜１０００００とどの程度でも構わないが、プロセスの煩雑さやコスト面または要求する帯電電位の均一性によって最適な分割数を選択する。本実施例では分割数を１０００程度とし、一つの電極の幅Ｌが約３００μｍになるように設計した。電極の長さＴは電界放出の電流値や複写機の印刷能力などの多くのパラメーターから決められるが、１０μｍ〜１０ｍｍ程度が適当である。今回は１ｍｍ程度に設計した。下部電極１２からはそれぞれの分割した状態で配線され、その各々に電流値を制御できるトランジスターを配置した。
【００３２】
下部電極１２の上にはＳｉ膜を触媒層１５として形成している。触媒層１５としては、導電性を有しており、かつ、ＳＰ3結合性ＢＮの成膜を促す材料を利用する。本発明者らがＳＰ3結合性ＢＮの成膜方法を探索している中で、ＳｉおよびＮｉにおいてこの触媒機能が発現された。ＳｉおよびＮｉにおける触媒効果の詳細なメカニズムは不明であるが、窒素の高温での溶融量が影響していると思われる。ここではＳｉ膜にホウ素をドーピングした膜をＣＶＤで形成した。ホウ素のドープ量は１０18ｃｍ-3程度で十分な導電性を示している。ＳＰ3結合性ＢＮの成膜プロセスにおいて、Ｓｉの膜厚が薄すぎると触媒の機能を示さない。厚いＳｉ膜を形成するのは困難が伴う。そこで、Ｓｉの膜厚は０．１ｎｍ〜１０μｍ程度までが最適であるが、今回は５００ｎｍ程度とした。
【００３３】
フォトリソグラフィープロセスによって下部電極１２と触媒層１５をパターニングする。パターンは先に下部電極１２の形状を説明した際に示したように、数μｍオーダーの精度を要求する形状である。石英基板に下部電極１２および触媒層１５を形成した上にレジストを塗布する。この工程において、スピンコーターを用いることで、その膜厚を任意にかつ均一に塗布することが可能である。レジストの厚さは２μｍ程度として、ポジレジストを利用した。レジストを塗布した石英基板をオーブンによってベーク温度１００℃でベークする。
【００３４】
フォトリソグラフィープロセスでは帯電器１０１全体を一度に処理できるように、一般的なステッパーではなく、レーザー露光装置を利用して露光する。レーザー露光装置は任意の個所のみをレーザー光に照射することで露光する装置である。今回のような面積が少ない部分のみ電極を除去する場合でかつ面積が大きいものなどには最適である。ここでは照射個所は先に示した下部電極１２のパターンによって決め、そのデータを露光装置に入力することで行う。露光後にレジストを現像液で現像しパターンを形成する。
【００３５】
パターニングしたレジストを塩素系のガスでドライエッチングする。エッチング高さはエッチング時間を制御することでコントロールすることができる。この後、レジストを剥離し洗浄することで、触媒層１５および下部電極１２がパターニングできる。
【００３６】
ＳＰ3結合性ＢＮ膜１４は図１に示されるように配線部分には成膜していない。これは触媒層１５のパターニングを行うことで任意の個所に選択的にＳＰ3結合性ＢＮ膜１４を形成できる。下部電極１２の成膜、触媒層１５の成膜、それぞれの後に先に述べたフォトリソグラフィープロセスをそれぞれ行うことで、下部電極１２とＳＰ3結合性ＢＮのパターン形状を、独立に設計することができる。
【００３７】
触媒層１５の上にはＳＰ3結合性ＢＮ膜１４を形成する。この材料は本発明者らが優れた電子放出特性を示す材料を探索中に、特定の条件下で製作した窒化ホウ素の中には、これを膜状に生成した場合、電界電子放出特性に優れた表面形状を呈してなるものが生成できることを見出した。以下では本発明者らが発明したＳＰ3結合性ＢＮについて詳細な説明を記す。
【００３８】
このＳＰ3結合性ＢＮ（Ｓｐ3−ｂｏｎｄｅｄ  ５Ｈ−ＢＮ）は、特に空気中における電子放出特性にも優れる好ましい材料である。ＳＰ3結合性ＢＮ膜は電界電子放出特性に優れた表面形状、すなわち、先端の尖った状態を呈した形状が自己造形的に形成されてなる特異な構成を有しているＳＰ3結合性窒化ホウ素膜体が作製できる。これによって、電界電子放出閾値が低く、電流密度の高い、また、電子放出寿命の長い極めて良好なまさに電界電子放出材料として理想的な新規材料を、特段の加工手段、加工プロセスによることなく作製できる。
【００３９】
窒化ホウ素を気相からの反応によって基板上に生成堆積する場合、基板近傍にエネルギーの高い紫外光を照射すると基板上に窒化ホウ素が膜状に形成され、且つ、膜表面上には、先端が尖った状態を呈した形状の窒化ホウ素が適宜間隔を置いて光方向に自己組織的に生成し、成長する。そしてその得られてなる膜は、これに電界をかけると容易に電子を放出し、しかもこれまでのこの種材料から考えると、破格といってもいい大電流密度を保ちながら、材料の劣化、損傷、脱落のない極めて安定した状態、性能を維持し得る、極めて優れた電子放出材料であることを確認、知見したものである。
【００４０】
この材料が、電界電子放出特性に優れた表面形状が気相からの反応によって自己造形的に形成されるためには、紫外光の照射が必要である。このことは、後述の材料生成の詳細な条件で明らかにするが、その理由については現段階では必ずしも定かではない。しかし、次のように考えることができる。
【００４１】
すなわち、自己組織化による表面形態形成は、いわゆる「チューリング構造」として把握され、前駆体物質の表面拡散と表面化学反応とが競合するある種の条件において出現する。ここでは、紫外光照射がその両者の光化学的促進に関わり、初期核の規則的な分布に影響していると考えられる。紫外光照射により表面での成長反応が促進されるが、これは光強度に反応速度が比例することを意味する。初期核が半球形であると仮定すると、頂点付近では光強度が大きく、成長が促進されるのに対して、周縁部分では光強度が弱まり成長が遅れる。これが先端の尖った表面形成物の形成要因の一つであると考えられる。何れにしても紫外光照射が極めて重要な働きをなしており、これが重要なポイントであることは否定できない。
【００４２】
以下にこの材料の生成方法についてより詳細に説明する。図４に示す構造のＣＶＤ反応容器は、本実施例の電子放出素子を用いた電子源基板および該基板を用いた画像表示装置に好適に使用される電子放出特性の優れたＳＰ3結合性ＢＮを得る気相反応を実施するのに使用されたものである。
【００４３】
図４において、反応容器４１は、反応ガス及びその希釈ガスを導入するためのガス導入口４２と、導入された反応ガス等を容器外へ排気するためのガス流出口４３とを備え、真空ポンプに接続され、大気圧以下に減圧維持されている。容器内のガスの流路には窒化ホウ素が析出する絶縁体の基板４４が設定され、その窒化ホウ素が析出する基板４４に面した反応容器４１の壁体の一部には光学窓４８が取り付けられ、この窓４８を介して基板４４にエキシマ紫外レーザー光（図中の太い矢印）がエキシマ紫外レーザー装置４６照射される。
【００４４】
反応容器４１に導入された反応ガスは、基板４４表面において照射される紫外光によって励起され、反応ガス中の窒素源とホウ素源とが気相反応し、基板上に、一般式：ＢＮで示され、５Ｈ型多形構造を有してなるＳＰ3結合性ＢＮが生成し、析出し、膜状に成長する。
【００４５】
その場合の反応容器４１内の圧力は、０．００１〜７６０Ｔｏｒｒの広い範囲において実施可能である。また、反応空間に設置された基板の温度は、室温〜１３００℃の広い範囲で実施可能であるが、目的とする反応生成物をより高純度で得るためには、圧力は低く、また高温度で実施した方が好ましい。
【００４６】
なお、基板４４表面ないしその近傍空間領域に対して紫外光を照射して励起する際、プラズマを併せて照射するのもよい方法である。図４において、プラズマトーチ４７は、この態様を示すものであり、反応ガス及びプラズマが基板４４に向けて照射されるよう、反応ガス導入口４２と、プラズマトーチ４７とが基板４４に向けて一体に設定されている。
【００４７】
以下にさらに具体的な条件に基づいて説明する。ただし、以下に開示する条件は、あくまでも本発明に好適に適用されるＳＰ3結合性ＢＮを理解するための一助として開示するものであって、この条件のみによって本発明が限定されるものではないことはいうまでもない。
【００４８】
〈生成条件例１〉
アルゴン流量２ＳＬＭ、水素流量５０ｓｃｃｍの混合希釈ガス流中にジボラン流量１０ｓｃｃｍ及び、アンモニア流量２０ｓｃｃｍを導入し、同時にポンプにより排気することで圧力３０Ｔｏｒｒに保った雰囲気中にて、加熱により８００℃に保持したシリコン基板上に、エキシマ紫外レーザー光を照射した（図４参照）。６０分の合成時間により、所望の薄膜を得た。薄膜生成物をＸ線回折法により同定した結果、この試料の結晶系は六方晶であり、ＳＰ3結合による５Ｈ型多形構造で、格子定数は、ａ＝０．２５ｎｍ、ｃ＝１．０４ｎｍであった。
【００４９】
走査型電子顕微鏡像によって観察した結果、この薄膜は電界集中の生じやすい先端の尖った円錐状の突起構造物（０．００１μｍ〜数μｍの長さ）に覆われた特異な表面形状が自己造形的に形成されていることが観察された。
【００５０】
この薄膜の電界電子放出特性を調べるため、径１ｍｍの円柱状の金属電極を表面から３０μｍ離して真空中で薄膜−電極間に電圧を印可し、電子放出量を測定した結果、電界強度１５−２０（Ｖ／μｍ）において、電流密度の増大が見られ、２０（Ｖ／μｍ）において、測定用高圧電源の限界電流値（１．３Ａ／ｃｍ2相当）にて飽和していることが明らかとなった。
【００５１】
また、この時の電流値の時間変化を調べたところ、約１５分の間、電流値に多少の揺動が認められたが、ほぼ平均的な電流値が維持され、材料劣化による電流値の減少は見られず、安定な材料であることが確認された。さらに、この評価を空気中において行ってもほぼ同等の特性を示した。また、薄膜を微細な粒子状（０．０００５μｍ〜１μｍ）に粉砕し、それをペースト状にして塗膜、乾燥後その性能を評価したが、やはり同等の性能が得られた。
【００５２】
〈生成比較例１〉
比較のため、紫外光の照射以外は生成条件例１の条件と同様の条件で同時に作製した薄膜で、紫外光の照射されなかった部分の電界電子放出特性を調べた。その結果、電子放出開始の閾値電界強度が４２（Ｖ／μｍ）となり、紫外光照射を行って作製した生成条件例１の場合の１５（Ｖ／μｍ）に比べて大幅に高くなっていることがわかった。また、この部分は、走査型電子顕微鏡で観察したところ、電界電子放出による薄膜の損傷・剥離が見られた。一方、紫外光照射下で成長した突起状表面形状を示す部分には、電界電子放出実験の後、このような損傷は見出されなかった。
【００５３】
〈生成条件例２〉
アルゴン流量２ＳＬＭ、水素流量５０ｓｃｃｍの混合希釈ガス流中にジボラン流量１０ｓｃｃｍ及び、アンモニア流量２０ｓｃｃｍを導入し、同時にポンプにより排気することで圧力３０Ｔｏｒｒに保った雰囲気中にて、出力８００ｗ、周波数１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマを発生し、加熱により９００℃に保持したシリコン基板上に、エキシマ紫外レーザー光を照射した（図４参照）。
【００５４】
６０分の合成時間により、薄膜生成物を得た。この生成物を生成条件例１と同様の方法で同定した結果、結晶系は六方晶であり、ＳＰ3結合による５Ｈ型多形構造で、格子定数は、ａ＝０．２５ｎｍ、ｃ＝１．０４ｎｍであった。
【００５５】
走査型電子顕微鏡像によって観察した結果、この薄膜は電界集中の生じやすい先端の尖った円錐状の突起構造物（０．００１μｍ〜数μｍの長さ）に覆われた特異な表面形状が自己造形的に形成されていることが観察された。
【００５６】
この薄膜の電界電子放出特性を調べるため、径１ｍｍの円柱状の金属電極を表面から４０μｍ離して真空中で薄膜−電極間に電圧を印可し、電子放出量を測定した。その結果は、電界強度１８−２２（Ｖ／μｍ）において、電流密度の増大が見られ、２２（Ｖ／μｍ）において、測定用高圧電源の限界電流値（１．３Ａ／ｃｍ2相当）にて飽和していることが明らかとなった。また、空気中評価あるいは微細な粒子状評価も同様な結果が得られた。すなわち、生成条件例１と同様、安定な材料が得られたことが確認された。
【００５７】
〈生成条件例３〉
アルゴン流量２ＳＬＭ、水素流量５０ｓｃｃｍの混合希釈ガス流中にジボラン流量１０ｓｃｃｍ及び、アンモニア流量２０ｓｃｃｍを導入し、同時にポンプにより排気することで圧力３０Ｔｏｒｒに保った雰囲気中にて、出力８００ｗ、周波数１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマを発生し、加熱により９００℃に保持したニッケル基板上に、エキシマ紫外レーザー光を照射した（図４参照）。
【００５８】
６０分の合成時間により、薄膜生成物を得た。この生成物を生成条件例１と同様の方法で同定した結果、結晶系は六方晶であり、Ｓｐ３結合による５Ｈ型多形構造で、格子定数は、ａ＝０．２５１ｎｍ、ｃ＝１．０５ｎｍであった。
【００５９】
走査型電子顕微鏡像によって観察した結果、この薄膜は電界集中の生じやすい先端の尖った円錐状の突起構造物（０．００１μｍ〜数μｍの長さ）に覆われた特異な表面形状が自己造形的に形成されていることが観察された。
【００６０】
この薄膜の電界電子放出特性を調べるため、径１ｍｍの円柱状の金属電極を表面から４０μｍ離して真空中で薄膜−電極間に電圧を印可し、電子放出量を測定した。その結果は、電界強度１８−２２（Ｖ／μｍ）において、電流密度の増大が見られ、２２（Ｖ／μｍ）において、測定用高圧電源の限界電流値（１．２Ａ／ｃｍ2相当）にて飽和していることが明らかとなった。また、空気中評価あるいは微細な粒子状評価も同様な結果が得られた。すなわち、生成条件例１と同様、安定な材料が得られたことが確認された。
【００６１】
以上述べたとおり、本実施例の電子放出素子を用いた電子源基板および該基板を用いた画像表示装置に好適に使用される電子放出特性の優れたＳＰ3結合性ＢＮは、電界電子放出特性に優れた表面形状、すなわち、先端の尖った状態を呈した形状が自己造形的に形成されてなる特異な構成を有してなるものである。
【００６２】
ＳＰ3結合性ＢＮは先の先端が尖った形状に限らず、微粒子の形態でも構わない。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（いくつかの微粒子が集合し、全体として島状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、数０．１μｍないし１μｍであり、好ましくは０．１ｎｍないし２０ｎｍである。
【００６３】
以上のような条件で生成されたＳＰ3結合性ＢＮ膜を図３に示すように成膜した。ＳＰ3結合性ＢＮ膜１４は上記の生成方法では導電率の異方性を示すことが判った。ＳＰ3結合性ＢＮ膜１４の厚み方向には高い導電率を有するが、絶縁性基板１１と平行方向では非常に低い導電率であった。これは隣接する電極間の抵抗値を測定することで明らかになった。このＳＰ3結合性ＢＮ膜１４に出現する導電率異方性に関してはそのメカニズムは不明であるが、ＳＰ3結合性ＢＮ膜１４はそもそも絶縁体であるが、膜厚方向において、何らかの導電パスが形成されている可能性がある。この導電パスが異方性を有していると理解できる。
【実施例２】
【００６４】
本実施例の画像形成装置を図５に示す。画像形成装置は帯電装置、像担持体６１と現像装置６３などからなる。像担持体６１は一般的に利用されている感光体ではなく、単に帯電電位を維持する機能を有する絶縁体を利用した。この絶縁体はポリカーボネイトやポリエチレン、ポリテレフタレートなどのポリマー材料もしくはＳｉＯ2やＳｉＮなどの無機材料でも構わない。今回は材料の量産性などの面からポリカーボネイトを利用した。ポリカーボネイトの厚さは１００μｍ程度でアルミの管の表面にコーティングした。
【００６５】
本実施例では、帯電器１０１に求める画像情報を送信し、帯電する際に必要な個所にのみ任意の潜像を形成し、それを現像装置６３によってトナーによる像に変換する。それを紙に転写することで画像形成をなすものである。
【００６６】
帯電器１０１は図５に示すように像担持体６１に接近し、空隙Gだけ離れた状態で配置される。像担持体６１との空隙Ｇの距離は、印加電圧や電界放出能力などのパラメーターによっても大きく異なるが、１μｍ〜１０ｍｍの間であればよく、今回は５０μｍ程度に制御した。
【００６７】
図６に帯電器１０１を拡大した断面図を記す。絶縁性基板１１の上に下地層１６および下部電極１２、その上にＳＰ3結合性ＢＮ膜１４が形成されている。絶縁性基板１１はＳｉや石英、ポリマー基板、サファイヤ基板など様様な材料を利用することができる。今回は大型の基板を低コストで入手できることから石英基板を利用した。石英基板は研磨処理を施し、その平坦性はＲａ＜１０ｎｍ以下になるように仕上げた。
【００６８】
下地層１６は下部電極１２を絶縁性基板１１に密着させる機能を有し、かつ、ＳＰ3結合性ＢＮ膜１４の形成時に窒素を絶縁性基板１１に拡散させない機能を持たせる。これにより、窒素が効率的にＳＰ３結合性ＢＮ膜１４に供給され、品質の良いＳＰ3結合性ＢＮ膜１４が作れる。今回は下地層１６としてＣｒを採用した。Ｃｒは１０ｎｍ程度、加熱蒸着器によって成膜した。
【００６９】
この上に下部電極１２を成膜する。下部電極１２の材料はＮｉとして、厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍの範囲であればよく、今回は１００ｎｍ程度とした。Ｎｉには先の生成条件例３に示すようにＳＰ3結合性ＢＮ膜１４の触媒機能を有していることが発明者らの研究成果から判っている。
【００７０】
下部電極１２は像担持体６１の回転方向に対し、垂直に分割されている。電極間の距離は１μｍ〜１０μｍ程度がよく、今回は２μｍ程度にした。電極の分割数は２〜１０００００とどの程度でも構わないが、プロセスの煩雑さやコスト面または要求する画像品質によって選択する。本実施例では分割数を５０００程度とし、一つの電極の幅Ｌが約７０μｍになるように設計した。これは画像としては４００ｄｐｉ相当になる。電極の長さＴは電界放出の電流値や複写機の印刷能力などの多くのパラメーターから決められるが、１０μｍ〜１０ｍｍ程度が適当である。今回は０．１ｍｍ程度に設計した。電極からはそれぞれの分割した状態で配線され、その各々に電流値を制御できるトランジスターを配置した。このトランジスターに要求する画像情報を転送することで、所望の画像を形成する。
【００７１】
フォトリソグラフィープロセスによって下部電極１２と下地層１６をパターニングする。パターンは先に下部電極１２の形状を説明した際に示したように、数μｍオーダーの精度を要求する形状である。石英基板に下部電極１２と下地層１６を形成した上にレジストを塗布する。この工程において、スピンコーターを用いることで、その膜厚を任意にかつ均一に塗布することが可能である。レジストの厚さは２μｍ程度として、ポジレジストを利用した。レジストを塗布した石英基板をオーブンによってベーク温度１００℃でベークする。
【００７２】
フォトリソグラフィープロセスでは帯電器１０１全体を一度に処理できるように、一般的なステッパーではなく、レーザー露光装置を利用して露光する。レーザー露光装置は任意の個所のみをレーザー光に照射することで露光する装置である。今回のような面積が少ない部分のみ電極を除去する場合でかつ面積が大きいものなどには最適である。ここでは照射個所は先に示した下部電極１２のパターンによって決め、そのデータを露光装置に入力することで行う。レジストは現像液で現像しパターンを形成する。
【００７３】
パターニングしたレジストを塩素系のガスでドライエッチングする。エッチング高さはエッチング時間を制御することでコントロールすることができる。この後、レジストを剥離し洗浄することで、下地層１６および下部電極１２がパターニングできる。
【００７４】
本実施例では下部電極１２の厚みをＳＰ3結合性ＢＮ膜１４の成膜領域のみ薄くした。これはフォトリソグラフィープロセスにおいて、露光量を制御することでレジスト厚みを2段階に分けることで実現できる。レジストの薄い部分の下部電極は次にドライエッチングプロセスでその形状が転写され、薄い下部電極が作られる。この薄い下部電極１２は電流を流す時に高い抵抗率を示し、発熱体となる。ＳＰ3結合性ＢＮ膜１４は基板温度によって成長条件が異なり、先の発熱領域に選択的に成膜することが可能となる。これはドライエッチングなどの微細加工が難しいＳＰ3結合性ＢＮ膜１４を微細形状に形成する方法となる。
【００７５】
下部電極１２の上にはＳＰ3結合性ＢＮ膜１４を形成する。この材料は本発明者らが優れた電子放出特性を示す材料を探索中に、特定の条件下で製作した窒化ホウ素の中には、これを膜状に生成した場合、電界電子放出特性に優れた表面形状を呈してなるものが生成できることを見出した。
【００７６】
ＳＰ3結合性ＢＮ膜１４は生成条件例１とほぼ同様な条件で成膜した。ただし、本実施例では、成膜する際に電極に電流を流し抵抗値が高い領域の発熱を起こした。これによって発熱領域の温度を約８００℃にし、それ以外の基板温度を７００℃にするように制御した。これによって、選択的にＳＰ３結合性ＢＮ膜１４が形成された。膜質および電界放出能力は生成条件例１とほぼ同様であった。
【００７７】
以上のような条件で生成されたＳＰ3結合性ＢＮ膜を図６に示すように成膜した。ＳＰ3結合性ＢＮ膜１４は上記の生成方法では導電率の異方性を示すことが判った。ＳＰ3結合性ＢＮ膜１４の厚み方向には高い導電率を有するが、絶縁性基板１１と平行方向では非常に低い導電率であった。
【００７８】
なお、上述した形態は本発明の帯電器等を実施するための最良のものであるがかかる実施形式に限定する趣旨ではない。従って、本発明の要旨を変更しない範囲においてその実施形式を種々変形することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本形態の帯電器１０１の表面拡大図である。
【図２】実施例１の画像形成装置における帯電器１０１と像担持体６１との配置説明図である。
【図３】実施例１の帯電器１０１の断面図である。
【図４】反応装置の概略図と概要を示す図である。
【図５】実施例２の画像形成装置における帯電器１０１と像担持体６１との配置説明図である。
【図６】実施例２の帯電器１０１の断面図である。
【符号の説明】
【００８０】
１１    絶縁性基板
１２    下部電極
１３    配線
１４    ＳＰ3結合性ＢＮ膜
１５    触媒層
１６    下地層
４１    反応容器（反応炉）
４２    ガス導入口
４３    ガス流出口
４４    窒化ホウ素析出基板
４５    光学窓
４６    エキシマ紫外レーザー装置
４７    プラズマトーチ
６１    像担持体
６３    現像装置
６３ａ    現像剤担持体
６４    クリーニング装置
６４ａ    クリーニングブラシ
６４ｂ    クリーニングブレード
１００    帯電器カバー
１０１    帯電器
Ｇ    間隙
Ｌ    レーザー光
【図１】
2007240722.tif 000003
【図２】
2007240722.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007240722.tif 000007
【図６】
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