(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、Ｘ線光電子分光法によるＣ1S電子の光電子スペクトルの半値幅Ｈｗが、Ｈｗ≧１．７２ｅＶであるダイヤモンド状炭素膜より構成されていることを特徴とする冷陰極素子。
【請求項２】
前記ダイヤモンド状炭素膜は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。
【請求項３】
前記ダイヤモンド状炭素膜は、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、Ｘ線光電子分光法によるＣ1S電子の光電子スペクトルの半値幅Ｈｗが、Ｈｗ≧１．７２ｅＶであるダイヤモンド状炭素膜より構成されている冷陰極素子が提供される。
【０００６】
ここで、ダイヤモンド状炭素膜とは、その結晶構造がダイヤモンド単結晶構造ではないが、その性質がダイヤモンドに近いものを言う。
【０００７】
このようなダイヤモンド状炭素膜において、半値幅Ｈｗを前記のように設定すると、そのダイヤモンド状炭素膜におけるダイヤモンド性、つまり電気絶縁性が弱められる一方、グラファイト性、つまり導電性が強められる。これにより冷陰極素子の放出電界が低められるので、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となる。
【０００８】
ただし、前記半値幅ＨｗがＨｗ＜１．７２ｅＶでは、ダイヤモンド状炭素膜のダイヤモンド性が強められるため、放出電界が高くなる。
【０００９】
【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、Ｘ線光電子分光法（ＥＳＣＡ、ＸＰＳ）によるＣ1S電子の光電子スペクトルの半値幅ＨｗがＨｗ≧１．７２ｅＶであるダイヤモンド状炭素膜より構成されている。
【００１０】
前記半値幅Ｈｗは、図２に示すように、ダイヤモンド状炭素膜について、Ｘ線光電子分光法による分析を行い、得られたＣ1S電子の光電子スペクトル４から求められる。即ち、ピーク値の２分の１におけるスペクトルの幅（ｅＶ）を半値幅Ｈｗとする。
【００１１】
ダイヤモンド状炭素膜において、半値幅Ｈｗを前記のように設定すると、そのダイヤモンド状炭素膜におけるダイヤモンド性、つまり電気絶縁性が弱められる一方、グラファイト性、つまり導電性が強められる。これにより冷陰極素子３の放出電界が低められるので、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となる。
【００１２】
ダイヤモンド状炭素膜はスパッタリングまたはイオンビーム蒸着法により形成される。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、ダイヤモンド状炭素膜の原子密度は、スパッタリングによるもの、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、つまり同一の半値幅Ｈｗを有していても、導電性は前記順序で強くなり、放出電界は前記順序で低くなる。
【００１３】
これは次のような理由による。即ち、スパッタリングにおいては、蒸着エネルギが不定であると共に蒸着粒子サイズもランダムであるため、ダイヤモンド状炭素膜内に多くの欠陥が生じ、これによりその導電性が阻害される。一方、正、負イオンビーム蒸着法においては、蒸着エネルギを制御することが可能であるから、ダイヤモンド状炭素膜内の欠陥の発生を大いに抑制して高密度化を図ることができる。この効果は、負イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜において顕著であり、これ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。
【００１４】
以下、具体例について説明する。
【００１５】
〔Ｉ〕負イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜の形成
図３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等を有するセシウムプラズマイオン源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とを有する。  ダイヤモンド状炭素膜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３に示すように、各部に所定の電圧を印加する、（ｂ）セシウムプラズマイオン源８によりセシウムの正イオンを発生させる、（ｃ）セシウムの正イオンによりターゲット１０をスパッタして炭素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電極板２に向けて飛行させる、といった方法を採用した。
【００１６】
図４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。
【００１７】
表１は負イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜３の例１〜７における形成条件を示す。例１〜７の厚さは０．４〜０．８μｍであった。
【００１８】
【表１】
0003765358.tif 000002
【００１９】
次に、例１〜７についてＸ線光電子分光法による分析を行い、得られたＣ1S電子の光電子スペクトル４から半値幅Ｈｗを求めた。
【００２０】
その後、例１〜７について、図５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のダイヤモンド状炭素膜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。
【００２１】
表２は例１〜７に関する半値幅Ｈｗと放出電界を示す。
【００２２】
【表２】
0003765358.tif 000003
【００２３】
〔II〕正イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜の形成
このダイヤモンド状炭素膜３の形成には、図３の装置を用い、またアルゴンの正イオンによりスパッタを行って炭素の正イオンを発生させ、さらに負イオン引出し電極１２、レンズ１３、偏向板１６および陰極板２の極性を、前記〔Ｉ〕の場合（図３参照）と逆に設定した。
【００２４】
表３は、正イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜３の例１〜５における形成条件を示す。例１〜５の厚さは０．４〜０．８μｍであった。
【００２５】
【表３】
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【００２６】
次に、例１〜５について、前記と同様の方法で半値幅Ｈｗを求め、また前記と同様の方法で、放出電界の測定を行った。
【００２７】
表４は例１〜５に関する半値幅Ｈｗと放出電界を示す。
【００２８】
【表４】
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【００２９】
〔III 〕スパッタリングによるダイヤモンド状炭素膜の形成
このダイヤモンド状炭素膜３の形成には、公知の高周波スパッタ装置を用いた。
【００３０】
表５は、スパッタリングによるダイヤモンド状炭素膜３の例１〜３における形成条件を示す。例１〜３の厚さは０．４〜０．８μｍであった。
【００３１】
【表５】
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【００３２】
次に、例１〜３について、前記と同様の方法で半値幅Ｈｗを求め、また前記と同様の方法で、放出電界の測定を行った。
【００３３】
表６は例１〜３に関する半値幅Ｈｗと放出電界を示す。
【００３４】
【表６】
0003765358.tif 000007
【００３５】
〔IV〕電界放出特性
前記各ダイヤモンド状炭素膜３に関し、表２，４，６に基づいて半値幅Ｈｗと放出電界との関係をグラフ化したところ、図６の結果を得た。図６から明らかなように、半値幅ＨｗをＨｗ≧１．７２ｅＶに設定すると、ダイヤモンド状炭素膜３の放出電界を大いに低くすることができる。この場合、ダイヤモンド状炭素膜３の電界放出特性は、スパッタリングによるもの、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、の順に高くなることが判る。
【００３６】
本発明に係る冷陰極素子は、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。
【００３７】
【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】ダイヤモンド状炭素膜に関するＸ線光電子分光法によるＣ1S電子の光電子スペクトルである。
【図３】超高真空型負イオンビーム蒸着装置の概略図である。
【図４】前記装置によるビームスペクトルである。
【図５】放出電界測定方法の説明図である。
【図６】半値幅と放出電界との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１      陰極ユニット
２      陰極板
３      冷陰極素子（ダイヤモンド状炭素膜）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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