專利名稱：電子發(fā)射元件的制造方法和圖像顯示裝置的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用了電子發(fā)射膜的電子發(fā)射元件，具有多個電子發(fā)射元件的電子源和圖像顯示裝置的制造方法。
背景技術：
在電子發(fā)射元件中有電場發(fā)射型(FE)、MIM型、表面?zhèn)鲗偷碾娮影l(fā)射元件等。在FE型中，有被稱為Spindt型的在柵電極中設置了開口且在其開口內使金屬變得尖銳(形成為圓錐狀)的形態(tài)及在特開平8-096703號公報等中公開的那樣的從開口內配置的比較平坦的金剛石薄膜(電子發(fā)射膜)使電子發(fā)射的形態(tài)。
作為這些電子發(fā)射元件的應用裝置，例如可舉出在同一基板上排列了多個電子發(fā)射元件而構成的平板顯示器。在平板顯示器那樣的排列多個電子發(fā)射元件來利用的情況下，使各個電子發(fā)射元件的電子發(fā)射特性(特別是電壓-電流特性)變得一致是重要的。
因此，在使用了Spindt型的電子發(fā)射元件的例子中，如JP3094459號公報中公開的那樣，公開了利用電場蒸發(fā)使各發(fā)射極的前端的曲率變得一致的方法。此外，在JP3062987號公報中公開了，在使用了表面?zhèn)鲗偷碾娮影l(fā)射元件的例子中，通過對結束了被稱為「激活工序」的電子發(fā)射元件施加電壓來謀求各電子發(fā)射元件的特性的均勻化的方法。
此外，在特開平9-199001號公報、美國專利第5283501號的說明書、美國專利第5180951號的說明書和V.V.Zhinov、J.Liu等著，「環(huán)境效應對于來自金剛石表面的電子發(fā)射的影響」，J.Vac.Sci.Technol.，B16(3)，1998年5/6月，pp.1188-1193中公開了將具有負電子親和力的金剛石表面作為電子發(fā)射面利用的電子發(fā)射元件。
近年來，在平板顯示器中要求更高精細度的圖像顯示。因此，要求控制電子發(fā)射元件的電子束的軌道和減少電子束的束斑尺寸(寬度)。
在束斑尺寸的高精細化中，有時將驅動電場(為了使電子發(fā)射而必要的閾值電場)設定得較低是有利的。但此時如果象上述的Spindt型那樣使電子發(fā)射材料的前端變得尖銳，則因該形狀的緣故，有時所發(fā)射的電子束發(fā)散、在陽極上的電子束斑尺寸將變小。電子發(fā)射的前端比較平坦則具有減小束發(fā)散的優(yōu)點。
此外，電子發(fā)射膜是薄膜這一點，在容易進行光刻工序、容易確保高的粘附性等的制造方面有時是有利的。
此外，電子發(fā)射元件的小的表面粗糙度可減小表面積、減少水等的吸收，在作成分別具有多個電子發(fā)射元件的電子源及圖像顯示裝置的情況下，比較容易形成和保持超高真空。
但是，在使用了具有這樣的優(yōu)點的表面為比較平坦的電子發(fā)射薄膜的電子發(fā)射元件中，在基板上排列并形成該多個電子發(fā)射元件時，各電子發(fā)射元件的電子發(fā)射特性發(fā)生離散的情況較多。
此外，希望開發(fā)驅動電壓更低、能更長地穩(wěn)定地維持更高的電子發(fā)射效率的電子發(fā)射膜。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種驅動電壓低的、束斑尺寸的控制性良好的、利用了在制造方面具有優(yōu)點的碳膜的電子發(fā)射元件的制造方法。本發(fā)明的另一個目的是提供一種使用該電子發(fā)射元件并以良好的均勻性來制造電子源或圖像形成裝置的方法。
按照本發(fā)明的第1方面，提供一種電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于，具有下述工序(A)準備電子發(fā)射元件的工序，該電子發(fā)射元件具有在基板表面上配置的陰極電極、在該陰極電極上配置的碳層和與該陰極電極分離地配置的引出電極，在層疊上述陰極電極和上述碳層的方向上從上述碳層發(fā)射電子；以及(B)在上述引出電極與上述陰極電極間施加比上述電子發(fā)射元件的驅動時對上述電子發(fā)射元件施加的電壓高的電壓的工序。
在上述本發(fā)明的制造方法中，包含下述的結構作為較為理想的形態(tài)。
上述碳層的表面粗糙度按rms小于等于碳層膜厚的1/10和/或按rms小于等于10nm。
上述碳層在表面上具有偶極層，進而，通過以氫為上述碳層的表面的終端來構成該偶極層。
上述碳層在碳母體材料中分散了導電性粒子而構成，進而，上述導電性粒子在碳層的厚度方向上構成了排列多個導電性粒子的集合體，上述碳母體材料的電阻率比上述導電性粒子的電阻率高。
此外，上述本發(fā)明的電子發(fā)射元件的制造方法可較為理想地應用于具有多個電子發(fā)射元件的電子源陽極具有該電子源和發(fā)光體的圖像顯示裝置的制造方法。
按照本發(fā)明的第2方面，提供一種圖像顯示裝置的制造方法，該圖像顯示裝置具備陽極電極和在離開上述陽極電極的位置的基板表面上配置的多個電子發(fā)射元件，其特征在于，具有下述工序(A)在基板表面上準備上述多個電子發(fā)射元件的工序；(B)從上述多個電子發(fā)射元件中選擇一個電子發(fā)射元件的工序；以及(C)在上述已被選擇的電子發(fā)射元件的柵電極與陰極電極之間施加在驅動時對該已被選擇的電子發(fā)射元件施加的電壓高的電壓的工序，其中，上述多個電子發(fā)射元件分別具有在基板表面上配置的陰極電極、在上述陰極電極上配置的碳層和與上述陰極電極分離地配置的柵電極，在層疊上述陰極電極和上述碳層的方向上從上述碳層發(fā)射電子。
此外，在上述本發(fā)明的第2制造方法中，包含下述的結構作為較為理想的形態(tài)。
進行上述(C)工序是為了減少多個電子發(fā)射元件中的電子發(fā)射特性的差別。
上述碳層在表面上具有偶極層。
通過以氫為上述碳層的表面的終端來構成該偶極層。
上述碳層在碳母體材料中分散了導電性粒子而構成。
上述導電性粒子在碳層的厚度方向上構成了排列多個導電性粒子的集合體，上述碳母體材料的電阻率比上述導電性粒子的電阻率高。
此外，按照本發(fā)明的第3方面，提供一種圖像顯示裝置的制造方法，該圖像顯示裝置具備多個電子發(fā)射元件和通過照射從該多個電子發(fā)射元件發(fā)射的電子而發(fā)光的發(fā)光體，其特征在于，具有下述工序相對地保持配置了多個電子發(fā)射元件的第1基板與配置了發(fā)光體的第2基板的工序；以及將對上述多個電子發(fā)射元件供給驅動信號的電路連接到上述多個電子發(fā)射元件上的工序，其中，上述多個電子發(fā)射元件分別具有在其上配置碳層的陰極電極、終端碳層表面的氫和與上述陰極電極分離地配置的柵電極。
此外，按照本發(fā)明的第4方面，提供一種圖像顯示裝置的驅動方法，該圖像顯示裝置具備多個電子發(fā)射元件和通過照射從該多個電子發(fā)射元件發(fā)射的電子而發(fā)光的發(fā)光體，其特征在于對上述多個電子發(fā)射元件施加的驅動電壓為上述多個電子發(fā)射元件的制造時施加的電壓以下，其中，上述多個電子發(fā)射元件分別具有在其上配置碳層的陰極電極、終端碳層表面的氫和與上述陰極電極分離地配置的柵電極。
此外，按照本發(fā)明的第5方面，提供一種圖像顯示裝置，該圖像顯示裝置具備多個電子發(fā)射元件、通過照射從該多個電子發(fā)射元件發(fā)射的電子而發(fā)光的發(fā)光體和供給控制來自上述多個電子發(fā)射元件的電子發(fā)射的信號的驅動電路，其特征在于在上述圖像顯示裝置的驅動時，從上述驅動電路對上述多個電子發(fā)射元件供給的信號是小于等于上述多個電子發(fā)射元件的制造時所施加的電壓的信號，其中上述多個電子發(fā)射元件分別具有在其上配置碳層的陰極電極、其表面以氫為終端的碳層和與上述陰極電極分離地配置的柵電極。
按照本發(fā)明，可制作具有低閾值和穩(wěn)定電子發(fā)射特性的電子發(fā)射元件，進而，可實現(xiàn)穩(wěn)定的、在均勻性方面良好的電子源和圖像顯示裝置。


圖1A、1B是本發(fā)明的電子發(fā)射元件的一例的示意圖。
圖2是本發(fā)明的電子發(fā)射元件的碳層的優(yōu)選的一例的剖面示意圖。
圖3是示出本發(fā)明的電子發(fā)射元件的碳層中的導電性粒子的密度與該粒子的集合體的個數(shù)的關系的曲線圖。
圖4是示出本發(fā)明的電子發(fā)射元件的碳層中的導電性粒子的密度與該粒子的集合體的個數(shù)的關系的曲線圖。
圖5是示出本發(fā)明的電子發(fā)射元件的碳層中的h/r比與電場增強因子β的關系圖。
圖6是示意性地示出可用于本發(fā)明的具有偶極層的碳層的結構圖。
圖7A、7B是示出圖6的碳層中的電子發(fā)射原理的圖。
圖8是本發(fā)明的電子發(fā)射元件的制造方法的流程圖。
圖9A、9B、9C、9D、9E、9F是示出本發(fā)明中的電子發(fā)射元件的制造工序的一例的工序圖。
圖10A、10B、10C是本發(fā)明的特性調整工序中的施加電壓的說明圖。
圖11是示出經過了本發(fā)明的特性調整工序的電子發(fā)射元件的電特性圖。
圖12是示出使用了本發(fā)明中的電子發(fā)射元件的電子源的一例的平面示意圖。
圖13是示出使用了本發(fā)明中的電子發(fā)射元件的圖像顯示裝置的一例的斜視圖。
圖14A、14B是本發(fā)明的電子發(fā)射元件的另一例的示意圖。
具體實施例方式
以下，參照

本發(fā)明。但是，并不是將本發(fā)明的范圍只限定于下述的例子中的各構件的尺寸、材質、形狀、其相對配置和伴隨于此的驅動方法、驅動電壓等。
本發(fā)明的電子發(fā)射元件至少具有(a)在基板上配置的陰極電極和在作為該陰極電極上層疊的電子發(fā)射膜的碳層和(b)引出電極(柵電極和/或陽極電極)。此外，所謂本發(fā)明中的陰極電極，指的是連接到碳層上的、供給發(fā)射到真空中的電子的導電體。
圖1A、1B示出本發(fā)明的電子發(fā)射元件的一個優(yōu)選實施例。圖1A是驅動狀態(tài)的電子發(fā)射元件的剖面示意圖，圖1B是電子發(fā)射元件的平面示意圖。圖中，1是基板，2是陰極電極，3是柵電極，4是陽極電極，5是作為電子發(fā)射膜的碳層，6是驅動電源(電壓源)，7是陽極電源(陽極電壓源)。在該電子發(fā)射元件中，在陰極電極2與陽極電極4之間施加驅動電壓Vg〔V〕的同時，通過對陽極電極4施加比Vg高的電壓Va〔V〕，從碳層5發(fā)射電子，流過電子發(fā)射電流Ie〔A〕。
此外，在圖1A和1B中示出的例子中，作成了3端子結構。但是，在本發(fā)明中也可使用從圖1A中示出的結構中省略了柵電極3的所謂的2端子結構。此時，陽極電極4成為引出電極。
碳層5是以碳為主要成分的電子發(fā)射層。與在Spindt型中一般使用的以鉬等的金屬為主要成分的膜相比，可減少對于碳層5的驅動電場(對于從碳層5的電子發(fā)射所需要的電場強度)。所謂以碳為主要成分的層(電子發(fā)射層)，指的是在層中碳的含有量為最多的層。作為其它的元素，也有后述那樣包含金屬的粒子的情況或含有氫的情況。當然，在本發(fā)明中，不排除只用碳構成的層。
特別是，作為碳層5，如圖2中示意性地示出的那樣，最好是在碳母體材料10中包含多個導電性粒子8的碳層5，而且，將該碳母體材料10的電阻率設定得比導電性粒子8的電阻率高。因此，在典型的情況下，碳母體材料10由電介質構成，導電性粒子8由諸如金屬的導電體構成。在所希望的情況下，通過碳母體材料10的電阻率設定為導電性粒子8的電阻率的100倍以上，可在更低的電場下進行電子發(fā)射。此外，上述碳母體材料10指的是從碳層5去掉了導電性粒子8的材料，此外，以碳為主要成分。此外，碳母體材料10也有含有金屬元素或氫的情況，不排除只用碳來構成的情況。
作為在圖2的結構中使用的導電性粒子8，最好使用金屬粒子。再者，最好是對于碳具有催化性的金屬。因而，最好是包含從Co、Ni、Fe中選出的至少一種金屬。特別是，Co是較為理想的。由于碳與Ni、Fe、Co的帶隙差小，故電子注入中的障礙少。此外，導電性粒子8以上述金屬的單晶為主要成分這一點在更穩(wěn)定地實現(xiàn)更大的電子發(fā)射密度方面是較為理想的。
此外，作為該形態(tài)的情況的碳母體材料10的電阻率，1×10Ωcm以上至1×1014Ωcm以下的范圍是較為理想的，1×107Ωcm以上至1014Ωcm以下的范圍則更為理想。此外，在碳層5中最好含有sp2鍵和sp3鍵這兩者。特別是，如果是具有含有sp3鍵的碳層和石墨的微結構(石墨烯)結構，則即使電場集中少，電子發(fā)射特性也是良好的。因此，通過在上述碳母體材料10中在后述的結構中配置導電性粒子8，可附加進一步的電場集中的效果，可實現(xiàn)特別理想的電子發(fā)射特性。但是，如上所述，碳層5本身必須具有高的電阻且實質上起到絕緣體的功能這一點是重要的。因此，如果上述碳層5的主要成分例如是“類金剛石碳”(DLC)等的非晶碳，則可得到約1×10Ωcm以上至1×1014Ωcm以下的電阻率，由于能起到電介質的功能，故是較為理想的。這樣，碳層5的主要成分最好由非晶碳構成。
在圖2的結構中，多個導電性粒子8并不一定均勻地分散在碳母體材料10中，如圖2中所示，成為由某種程度的個數(shù)構成的集合體(一些導電性粒子8形成組)9，該集合體9在碳母體材料10中離散地配置。各集合體9的間隔最好大于等于碳層5的平均膜厚。此外，碳層5的平均膜厚以陰極電極2的表面或基板1的表面為基準來定義。作為所分離的間隔(各集合體(組)9間的間隔)，具體地說，大于等于碳層5的平均膜厚的1倍，最好為1.5倍～1000倍。如果成為超過該范圍的范圍，則碳層5中的電子發(fā)射點密度(ESD)難以滿足對圖像顯示裝置所要求的電子發(fā)射元件的特性，是不實用的。
這樣，通過充分地分離各集合體(組)9，可降低對于電子發(fā)射所必要的閾值電場(閾值電壓)。這是由于，通過分離集合體(組)9相互間，具有增加對于各個集合體(組)9的電場集中的效果。此外，在本發(fā)明中，如圖2中所示，也有在各集合體(組)9間存在沒有形成集合體(組)9的導電性粒子8的情況。
而且，通過在碳層5的膜厚方向(從陰極電極2一側朝向碳層5的表面一側的方向)上將構成各個集合體9的多個導電性粒子8配置成實質上為并排，可使電場集中于各集合體9上。
在碳層5的膜厚方向上并排的導電性粒子8的數(shù)目沒有限制，至少為2個以上即可。例如，如果在碳層5的膜厚方向上相鄰的2個粒子并排，則將該相鄰的2個粒子的一方與另一方相比配置在接近于陰極電極2的表面(或碳層5的表面)的位置上即可。但是，在進一步降低電子發(fā)射用的閾值方面，較為理想的是，在碳層5的膜厚方向上至少配置3個粒子，特別是，最好相對于陰極電極2的表面(碳層5的表面)垂直地并排。
此外，最好在5nm以下的范圍內配置在1個集合體9內相鄰的導電性粒子8相互間。如果相鄰的粒子間的間隔超過該范圍，則電子發(fā)射用的閾值(閾值電場、閾值電壓)開始極端地上升，難以得到充分的發(fā)射電流。此外，在各集合體9中，相鄰的粒子相互間也可接觸。如果間隔超過粒子的平均粒徑，則由于難以引起電場集中，故是不理想的。此外，由于如本發(fā)明那樣在碳層5中包含的導電體呈粒子狀，故即使例如相鄰的粒子相互間接觸，相鄰的粒子間的電阻也變高。因此，可抑制在碳層5內存在的一個一個電子發(fā)射點中的發(fā)射電流極端的上升，可期待穩(wěn)定地進行電子發(fā)射。
此外，導電性粒子8實質上完全埋入碳層5中是較為理想的，但也可從一部分碳層5的表面露出。因此，碳層5的表面凹凸按rms(均方根)小于等于碳層5的平均膜厚的1/10是較為理想的。應注意，也可將日本工業(yè)標準(JIS)中定義的“均方根”應用于本發(fā)明。只要是該結構，就能盡可能抑制起因于碳層5的表面粗糙度的電子束的發(fā)散。此外，按照上述結構，由于導電性粒子8的表面難以受到在真空中存在的氣體的影響，故可期待有助于穩(wěn)定的電子發(fā)射。
在上述結構的電子發(fā)射元件中，可期待在電介質的碳母體材料10中部分地(離散地)形成由導電體構成的導電性粒子8的傳導路徑。因此，不需要對表面為平坦的碳層5進行以往為必要的修整(conditioning)那樣的前處理?？蓪崿F(xiàn)良好的電子發(fā)射而不受到部分的破壞或損傷。但是，如果在碳層5的整體中導電性粒子8均勻地分散，則可期待成為單純的導電膜，電子發(fā)射用的閾值電場強度(閾值電壓)變高了。此外，如果各集合體9的間隔過分離開，則不能得到作為在顯示器中使用的電子發(fā)射元件所必要的電子發(fā)射電流和為了穩(wěn)定地獲得該電子發(fā)射電流所必要的電子發(fā)射點密度。結果，不能得到穩(wěn)定的電子發(fā)射和穩(wěn)定的顯示圖像。因此，碳層5中的導電性粒子8的密度大于等于1×1014個/cm3小于等于5×1018個/cm3是較為理想的，進而，如果大于等于1×1015個/cm3小于等于5×1017個/cm3，則可實現(xiàn)更低電場下的電子發(fā)射。此外，根據(jù)同樣的原因，對于碳母體材料10的主元素的導電性粒子8的主元素的濃度大于等于0.001atm％小于等于1.5atm％是實用的范圍，但進而如果大于等于0.05atm％小于等于1atm％，則可實現(xiàn)更低電場下的電子發(fā)射。如果超過上述范圍，則如上所述，電子發(fā)射用的閾值電場強度(閾值電壓)變高了。此外，所施加的驅動電壓變高，結果，產生了引起放電破壞的情況，或不能得到充分的電子發(fā)射點密度。因此，不能確保圖像顯示裝置中必要的發(fā)射電流密度。
在此，說明上述數(shù)值范圍。在圖3、圖4中示出集合體9在碳層5中存在的數(shù)目作為導電性粒子8的密度的函數(shù)。此外，圖中的X是構成1個集合體9的導電性粒子8的數(shù)目。
如果將碳層5中的導電性粒子8的密度定為P個/cm3，將碳層5的膜厚定為h，將導電性粒子8的平均半徑定為r，則在膜厚方向上排列導電性粒子8的區(qū)域(集合體9)的個數(shù)E為2rP(8r3P)(h/2r-1)/cm2。圖3是r＝2nm時的曲線圖，圖4是r＝5nm時的曲線圖。此外，在此，r示出了導電性粒子8的平均粒徑的一半的值，后面敘述詳細的情況，但該平均粒徑最好為1～10nm。
較為理想的是，在容易對集合體(組)9引起電場集中的密度處將E設定為較大的值。為了電場集中，在膜厚方向上排列至少2個導電性粒子8，為了使其個數(shù)E大于等于1×102個/cm2、較為理想的是大于等于1×104個/cm2，在r＝2nm的情況下，滿足P＝1×1014個/cm3即可。此外，為了使E大于等于1×104個/cm2，在r＝5nm的情況下，最低滿足P＝1×1014個/cm3即可。另一方面，如果P超過5×1018個/cm3，則導電性粒子8太多，碳層5成為單純的導電體，難以引起對于集合體9的電場集中。因此，ESD(發(fā)射點密度)變少，電流密度也減少，對于電子發(fā)射特性來說是不理想的。
雖然與碳層5的膜厚或導電性粒子8的大小有關，但如果將導電性粒子8的大小控制為幾nm，將碳層5的膜厚定為幾十nm，則作為P的大致的范圍，1×1014個/cm3≤P≤5×1018個/cm3是較為理想的。導電性粒子8的平均粒徑(2r)為1～10nm，在該導電性粒子8的主元素為Co的情況下，滿足上述條件的碳層5中的Co濃度大于等于0.001atm％小于等于1.5atm％。P的較為理想的范圍是1×1015個/cm3≤P≤5×1017個/cm3。例如，在圖3的例子中，在通過至少重疊2個導電性粒子8來形成各集合體9的情況下，集合體9的個數(shù)E大于等于1×104個/cm2小于等于1×1010個/cm2。
在此，使用圖5來說明電場集中。如果將傳導路徑的高度定為h，將電子發(fā)射部的半徑定為r，則產生(2+h/r)倍的電場集中，進而，由于其前端的微小形狀的緣故，產生同樣的電場增強因子β的電場集中，綜合地說，發(fā)生該乘法運算為(2+h/r)β的電場集中。因而，通過采用上述的形態(tài)，在本發(fā)明的電子發(fā)射元件中，可認為能構成更容易進行電子發(fā)射的電子發(fā)射膜。
另一方面，雖然被發(fā)射的束形狀依賴于碳層5的膜厚、導電性粒子8的大小或形狀、電場等的設計，但在碳層5的膜厚為小于等于100nm的薄膜的情況下，在形成非發(fā)散束方面是較為理想的。進而，結構方面的應力小，適合于薄膜工藝。如果增加導電性粒子8的大小，膜厚以相同的比例變厚，則集合體9的彼此的距離也變遠了，每單位面積的電子發(fā)射點的數(shù)目減少了。對于小于等于100nm的薄的膜厚的導電性粒子8的大小為幾nm(1～10nm)是理想的，從陰極電極2一側朝向碳層5的表面排列多個導電性粒子8的形態(tài)是較為理想的。
再者，當碳層5包含氫時，可緩和碳層5的應力。例如，DLC那樣的以碳為主要成分的膜的硬度硬，應力也強。因而，對于主要包含DLC的碳層來說，包含熱處理的工藝的適合性不一定是良好的。即使作為電子發(fā)射膜，其質量是良好的，但也存在作為電子發(fā)射元件、進而作為電子源在工藝方面不穩(wěn)定的情況下不能使用的課題，重要的是利用由氫得到的應力緩和能形成在工藝制造方面穩(wěn)定的膜。因此，通過對于碳層5的碳元素包含大于等于0.1atm％的氫元素，可引起應力緩和，特別是在包含大于等于1atm％的氫元素時，該緩和的作用強，可減小硬度和楊氏模量。但是，如果氫元素對于碳元素的比例超過20atm％，則由于電子發(fā)射特性開始變差，故實質上的上限為20atm％。
此外，作為在本發(fā)明中可較為理想地應用的另一碳層5，如圖6中所示，可舉出在陰極電極2的表面上配置碳層5、進而在該碳層5的表面上形成了偶極層11的情況。即使在該形態(tài)的情況下，作為碳層5的電阻率，1×10Ωcm至1×1014Ωcm的范圍是較為理想的，1×107Ωcm至1×1014Ωcm的范圍則更為理想。
此外，在此，作為偶極層11，示出在碳層5的表面(與真空的界面)以氫為終端的形態(tài)例，但形成本發(fā)明中的偶極層11的材料不限定于氫。對于對碳層5的表面進行終端處理的材料來說，在陰極電極2與引出電極(柵電極和/或陽極電極)之間沒有施加電壓的狀態(tài)下，只要降低碳層5的表面能級即可，但較為理想的是使用氫。一般來說，氫原子13稍微正極化(δ+)。由此，碳層5表面的原子(此時是碳原子12)稍微負極化(δ-)，形成了偶極層(電偶層)11。
使用圖7A和7B的能帶圖說明來自具有上述的偶極層11的電子發(fā)射膜的電子發(fā)射原理。圖7A是未對引出電極23施加電壓的情況，圖7B是對引出電極23施加電壓的情況。所謂引出電極23，是柵電極或陽極電極或將該兩者合起來的電極。圖中，2是陰極電極，5是碳層，23是引出電極，24是真空勢壘，25是電子，26是在其表面上形成了偶極層的絕緣層與真空的界面。
如圖7A中所示，盡管在陰極電極2與引出電極23之間沒有施加驅動電壓，但因上述的偶極層的緣故，在上述絕緣層的表面上形成了與施加了電偶層的電位δ〔V〕等效的狀態(tài)。
如圖7B中所示，如果在陰極電極2與引出電極23之間施加驅動電壓，則有碳層5的電位下降，與其連動地，真空勢壘24也降低了。當將碳層5的膜厚設定為利用驅動電壓V〔V〕能進行隧道穿通(量子機械隧道穿通)的膜厚(最好小于等于10nm)，可縮短從陰極電極2供給的電子的穿通上述碳層5的空間的距離，結果，成為能隧道穿通(量子機械隧道穿通)的狀態(tài)，實現(xiàn)了對真空的電子發(fā)射。
此外，關于以碳層5的表面為終端的材料，在實用上說，在沒有在陰極電極2與引出電極23之間施加電壓的狀態(tài)下，最好使碳層5的表面能級至少下降0.5eV至1eV。但是，在本發(fā)明的電子發(fā)射元件中，在陰極電極2與引出電極23之間施加驅動電壓時和陰極電極2與引出電極23之間未施加驅動電壓時這兩者中，碳層5的表面的能級必須顯示出正的電子親和力。
此外，雖然碳層5的膜厚可由驅動電壓來決定，但如果考慮在幾十V以下進行驅動，則可將碳層5的膜厚設定為小于等于20nm是較為理想的，設定為小于等于10nm則更為理想。此外，作為碳層5的膜厚的下限，在驅動時形成從陰極電極2供給的電子穿通隧道(碳層5與真空勢壘24)的勢壘即可，但從成膜再現(xiàn)性等的觀點來看，較為理想的是設定為大于等于1nm。
這樣，通過碳層5的表面總是顯示出正的電子親和力，可確保在電子發(fā)射元件的選擇時和非選擇時的明確的電子發(fā)射量的導通、關斷的比。能確保選擇時和非選擇時的明確的電子發(fā)射量的導通、關斷的比的電子發(fā)射元件可較好地應用于必須從多個電子發(fā)射元件中的任意的電子發(fā)射元件發(fā)射電子的電子源或圖像顯示裝置。
此外，圖6中示出的碳層5，如圖2中已說明的那樣，還可包含導電性粒子8。即，在圖2中示出的碳層5的表面上形成了圖6中示出的偶極層11的形態(tài)可應用于本發(fā)明的電子發(fā)射元件。
此外，可較好地應用本發(fā)明的碳層是能在不到1×106V/cm的電場下發(fā)射電子的層。在使用圖2和圖6已說明的碳層中，通過施加不到1×106V/cm的電場，可開始發(fā)射電子。即，通過在引出電極與碳層之間施加不到1×106V/cm的電場，可發(fā)射電子。
因此，本發(fā)明的電子發(fā)射元件與表面?zhèn)鲗偷碾娮影l(fā)射元件不同，電子發(fā)射效率(Ie/If(在此，If表示在陰極電極與引出電極間流過的電流(元件電流)，Ie表示在陰極電極與陽極電極間流過的電流(發(fā)射電流)))非常高。在本發(fā)明的電子發(fā)射元件中，可使柵電極與陰極電極之間的間隔大于等于1μm，其結果，按照本發(fā)明的電子發(fā)射元件，可實現(xiàn)大于等于30％的電子發(fā)射效率，也可實現(xiàn)大于等于60％的電子發(fā)射效率。此外，在經過了被稱為「激活」的制造工序的表面?zhèn)鲗碗娮影l(fā)射元件中，電子發(fā)射效率為幾％，此外，柵電極一側的碳膜與陰極電極一側的碳膜的間隔為幾個納米。從這一點可判別本發(fā)明的電子發(fā)射元件不是表面?zhèn)鲗碗娮影l(fā)射元件。
其次，使用圖8，示出本發(fā)明的制造工序的一例。
在本發(fā)明的制造工序中，包含制作電子發(fā)射元件的工序(S1)和特性調整工序(S2)。特性調整工序是進行所準備的電子發(fā)射元件的電子發(fā)射特性的穩(wěn)定化或電子發(fā)射特性的均勻化的工序，是對碳層5供給最大施加電場Emax的工序。
在結束了上述制造工序后，在驅動工序中，對電子發(fā)射元件的碳層5供給的施加電場E最好總是滿足E＜Emax(S3)。
在此，說明對碳層5施加的電場E。與電子發(fā)射膜有關的電場由元件結構和驅動狀態(tài)和驅動電壓來決定，隨電子發(fā)射膜的位置而不同。以下，主要說明3端子結構的電子發(fā)射裝置。
對碳層5施加的電場籠統(tǒng)地分為起因于陽極電極電位的Ea和起因于柵電極電位的Eg。對于在電子發(fā)射元件與陽極電極4之間施加的平均電場(Ea av〔V/μm〕)來說，如果將陽極電壓定為Va〔V〕(在典型的情況下，由陰極電極2的電位與陽極電極4的電位的差來定義)，將陰極電極2(或碳層5)與陽極電極4之間的距離定為H〔μm〕，則可定義為Ea av＝Va/H〔V/μm〕。
此外，對于在陰極電極2與柵電極3之間施加的平均電場(Eg av〔V/μm〕)來說，如果將陰極電極2與柵電極3之間施加的電壓定為Vg〔V〕，將陰極電極2(或碳層5)與柵電極3之間的距離定為w〔μm〕，則可定義為Eg av＝Vg/w〔V/μm〕。
再者，根據(jù)電子發(fā)射元件(電子發(fā)射膜)的結構或碳層的位置的不同，上述Ea和Eg不同。Ea＝βa×Ea av，Eg＝βg×Eg av。βa、βg是電場增強常數(shù)，是大于等于1的數(shù)值。在陽極電極4與元件平行配置的情況下(特別是與電子發(fā)射膜平行配置的情況下)，βa≈1。βg根據(jù)元件的結構有很大的差別，如果將電子發(fā)射構件本身變得尖銳，則βg也有為幾千倍的情況。在如本發(fā)明那樣使用比較平坦的膜的情況下，βg變小，但可利用結構使其增強為幾倍。
在Spindt型或表面?zhèn)鲗湍菢拥碾娮影l(fā)射元件的情況下，通常，Eg av＞＞Ea av，對電子發(fā)射部施加的電場(引起電子發(fā)射用的電場)中，由在柵電極3與陰極電極2之間施加的電壓形成的電場(Eg)起支配地位，Ea的影響幾乎沒有或較小。
在最接近于柵電極3的碳層5的部分中βg大，隨著離開柵電極3的距離較遠，βg急劇地變小。因而，施加最大施加電場Emax的碳層5的場所必然成為施加大的βg的場所。
另一方面，在與本發(fā)明有關的碳層5那樣的閾值電場(從電子發(fā)射膜開始發(fā)射電子時所必要的電場強度)低的電子發(fā)射膜中，可減小驅動時的Eg。因而，即使減小Ea，也能充分地進行驅動。但是，減小Ea也存在問題。例如，在使用了熒光體的圖像形成裝置中，減小Ea(降低Va)從熒光體的效率和壽命的觀點來看，不一定是有效的。
因而，在如本發(fā)明那樣用閾值電場低的電子發(fā)射膜進行驅動的情況下，Eg av/Ea av為1～幾十。此時，對電子發(fā)射材料(電子發(fā)射膜)施加的最大施加電場Emax也受到Ea的很大影響。
特別是，如果使圖1A和1B或后述的圖14A和14B所示那樣的本發(fā)明的電子發(fā)射膜與陽極電極4實質上平行(且露出)，則Ea的影響變大。此時，也有對未接近于柵電極3的電子發(fā)射膜部分施加起因于Ea的電場的情況。
即，在3端子結構的情況下，由柵電極3和陽極電極4中的只是柵電極3或只是陽極電極4或其兩者來提供本發(fā)明中的最大施加電場Emax。此外，雖然是當然的，但在2端子結構的情況下，只由引出電極(陽極電極4)來提供本發(fā)明中的最大施加電場Emax。
此外，在本發(fā)明中，在3端子結構的電子發(fā)射裝置(即，由陽極電極4、柵電極3、陰極電極2和碳層5構成的電子發(fā)射裝置)的情況下，將柵電極3和/或陽極電極4稱為「引出電極」。此外，在2端子結構的電子發(fā)射裝置(即，由陽極電極4、陰極電極2和碳層5構成的電子發(fā)射裝置)的情況下，將陽極電極4稱為「引出電極」。
圖9A至圖9F舉出適合于本發(fā)明的圖1A和1B的形態(tài)的電子發(fā)射元件為例，示出制作電子發(fā)射元件的工序的一例。
(工序1)
首先，將預先充分地清洗了其表面的石英玻璃、減少了Na等的雜質含有量的玻璃、平板玻璃、由在基板表面上層疊了SiO2的層疊體構成的基板、陶瓷的絕緣性基板等中的某一種基板用作基板1，在基板1上層疊導電性膜31(應成為陰極電極2和柵電極3的構件)(圖9A)。
利用蒸鍍法、濺射法等一般的在真空中的成膜技術形成導電性膜31。例如從Be、Mg、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Al、Cu、Ni、Cr、Au、Pt、Pd等的金屬或合金材料等中選擇導電性膜31的材料。作為導電性膜31的厚度，在10nm至幾百μm的范圍內進行設定，較為理想的是從100nm至90μm的范圍內進行選擇。
(工序2)其次，如圖9B中所示，在導電性膜31上部分地制作掩模32。在掩模的制作方法中利用光刻法等。
(工序3)再者，制作碳層5(圖9C)。導電性膜31的平坦性好是較為理想的。具體地說，表面粗糙度按rms小于等于碳層5的平均膜厚的1/10是較為理想的。此外，在rms的值中，小于等于10nm是較為理想的，小于等于1nm則更為理想。
如果平坦性良好，則由于沒有因尖銳化導致的電場增強效果，故一般來說，處于閾值電場變高的趨勢。為此，如已使用圖2或圖6詳細地敘述的碳層5那樣，對發(fā)射機構進行了改善的電子發(fā)射膜變得有效。
此外，rms用對從平均線到測定曲線的偏差的二次方進行了平均的值的平方根來表示。Rms也被JIS規(guī)格所采用。
這里所說的碳層5的表面粗糙度是在平坦的基板上(例如Si基板)層疊的情況的粗糙度，不是在導電性膜31上層疊的情況的表面粗糙度。即，是碳層5本身的表面粗糙度，指的是減去了作為基底的導電性膜31的表面粗糙度的表面粗糙度。但是，用于在消除電子束的擴展方面有效的是電極上的碳層的表面粗糙度，故電極上的碳層的表面粗糙度(將碳層的表面粗糙度加到電極的表面粗糙度上的狀態(tài))的rms處于上述的范圍內是有效的。
(工序4)為了利用光刻法分離陰極電極2與柵電極3，用光致抗蝕劑33進行構圖(圖9D)。
(工序5)其次，進行刻蝕處理，分離陰極電極2與柵電極3(圖9E)。希望通過導電性膜31和碳層5的刻蝕工序得到平滑的刻蝕面，根據(jù)各自的材料來選擇刻蝕方法即可。可以是干法刻蝕，也可以是濕法刻蝕。
(工序6)通過除去掩模32、33，可形成圖9F中示出的形態(tài)(圖1A和1B中示出的形態(tài))的電子發(fā)射元件。
通常根據(jù)構成電子發(fā)射元件的材料或電阻值、碳層5的電特性，必要的電子發(fā)射束的形狀等適當?shù)卦O定陰極電極2與柵電極3之間的距離w。通常，將w設定為大于等于100nm，較為理想的是大于等于1μm。而且，將w設定為小于等于100μm是較為理想的。
最后，也可利用各種后處理附加使電子容易發(fā)射的工序。作為后處理的一例，有退火處理、等離子處理等。在形成圖6中示出的那樣的表面終端(形成偶極層)的情況下，特別是在該階段中進行這樣的后處理是較為理想的。
(工序7)其次，進行作為本發(fā)明的特征的特性調整工序。
特性調整工序如后述那樣是進行電子發(fā)射特性的穩(wěn)定化和/或電子發(fā)射特性的均勻化的工序。這一點起因于與本發(fā)明有關的特性調整工序是使在制造工序中得到的電子發(fā)射元件(電子發(fā)射裝置)的I-V特性(電流-電壓特性)變化為所希望的I-V特性的工序。
而且，換言之，特性調整工序是對碳層5供給最大施加電場Emax的工序。此外，這里所說的「最大施加電場」，意味著比在該特性調整工序以前對碳層5施加的電場高的電場強度，但在本發(fā)明中不以在該特性調整工序以前施加電場為前提。此外，本發(fā)明的特性調整工序伴隨來自碳層5的電子發(fā)射。
在對碳層5供給最大施加電場Emax的情況下，不是從最初開始供給最大施加電場Emax，而是通過逐漸地使供給碳層5的電場上升達到最大施加電場Emax來進行的，這一點在穩(wěn)定地進行特性調整工序方面是較為理想的。
此外，如上所述那樣供給最大施加電場Emax的工序可認為與使從碳層5發(fā)射的電流為最大是等效的。根據(jù)該觀點，本發(fā)明的特性調整工序也可說成是使碳層5發(fā)射最大電流Imax的工序。在本發(fā)明的特性調整工序中，最好通過使從碳層5發(fā)射的電流逐漸地上升來進行。
此外，例如在應用電子發(fā)射元件的電子發(fā)射裝置是3端子結構(具有陽極電極、陰極電極和柵電極這3個電極)的情況下，最好在與實際上驅動該裝置時的上述3個電極的彼此的相對配置為相同的相對配置下進行上述特性調整工序。這一點對于2端子結構的電子發(fā)射裝置或4端子結構的電子發(fā)射裝置來說也是同樣的。此外，在將本發(fā)明的特性調整工序應用于電子發(fā)射裝置(例如平板顯示器)的電子發(fā)射元件的情況下，由于平板顯示器一般使用對置地熔接安裝陽極電極4的前板和安裝電子發(fā)射元件的后板的面板，故最好在熔接了該表面后進行上述特性調整工序。當然，也可在熔接面板之前將特性調整工序用的陽極電極4配置在與實際的面板中的陽極電極4與后板間的距離相等的距離上，在進行了特性調整工序后，熔接安裝面板用的陽極電極4的前板和安裝經過了特性調整工序的的電子發(fā)射元件的后板來形成面板。
在這樣的相對配置關系下進行特性調整工序的情況下，供給最大施加電場Emax的工序，從效果上說，可看作是為了從電子發(fā)射膜發(fā)射端子而在陰極電極2與引出電極之間施加最大電壓Vmax的工序。在用最大電壓Vmax來進行的情況下，由于最簡易地進行特性調整工序，故是最為理想的。此外，在施加最大電壓Vmax的情況下，最好也使陰極電極2與引出電極之間施加的電壓逐漸地上升來進行。
此外，在上述的例子中，示出了在與構成電子發(fā)射裝置的各電極的相對位置相同的相對位置上進行特性調整工序的例子，但本發(fā)明不限定于上述相對位置。即，例如在考慮了構成電子發(fā)射裝置的各電極的相對位置的基礎上，在實際上驅動該裝置時，對該碳層5施加比對電子發(fā)射元件的碳層5施加的電場強度高的電場強度即可。因此，在面板的熔接工序之前進行上述的特性調整工序的情況下，通過提高陽極電極4的電壓來代替例如使陽極電極4的位置比熔接工序后的陽極電極4的位置離后板遠，也可實現(xiàn)Emax的施加。
其次，使用圖10A、10B、圖11，對于作為本發(fā)明的特征的「特性調整工序」說明具體例。
圖10A是將最大施加電壓Vmax施加到碳層5上的情況下的本發(fā)明的特性調整工序(圖10B中用箭頭示出的期間)的一例。
此外，圖10B、10C是結束了圖10A的特性調整工序后的電子發(fā)射元件的驅動方法(用圖10B、10C中的箭頭示出的期間)的一例，是同時施加Va、Vg來供給最大施加電壓的例子。
在圖10A中示出了在對陽極電極4供給一定的陽極電壓Va〔V〕的狀況下通過在陰極電極2與柵電極3之間使脈沖電壓Vg〔V〕的波高值逐漸地上升直到Vg2來進行特性調整工序的例子。
圖10B是利用電壓調制來驅動結束了上述特性調整工序的電子發(fā)射元件的例子，是在對陽極電極4供給了一定的陽極電壓Va的狀態(tài)下在陰極電極2與柵電極3之間使脈沖電壓Vg為最高電壓Vg3以便滿足Vg3＜Vg2的例子。
圖10C是利用脈沖寬度調制來驅動的例子，對陽極電極4供給一定的陽極電壓Va，驅動電壓為Vg3(＜Vg2)。
圖10B、10C都在驅動時只對碳層5施加不到最大施加電場Emax的電場。
即使在任一個工序中，都示出了Vg為脈沖電壓，但在本發(fā)明中，不限定于脈沖電壓，也可以是DC(直流電壓)。但是，在特性調整工序工序中，也可通過重復地施加恒定電壓的脈沖來進行，但最好逐漸地使電壓上升并重復地施加。
另一方面，在對結束了上述特性調整工序的電子發(fā)射元件施加脈沖電壓來驅動的情況下，較為理想的是，希望定為比供給Emax的工序中使用的脈沖條件短的脈沖寬度或小的占空比(脈沖寬度/脈沖周期)。在特性調整工序中所需要的時間為幾msec～幾分，根據(jù)碳層5的種類該時間具有一定的范圍，可適當?shù)貨Q定。
圖11是示出經過了上述的本發(fā)明的特性調整工序的電子發(fā)射元件的電特性，是示出供給最大施加電場Emax的工序中的施加了陽極電壓Va的狀態(tài)下的發(fā)射電流Ie的特性對于陰極電極2與柵電極3間的電壓Vg的變化的圖。
實線36是使陰極電極2與柵電極3間的施加電壓上升到Vg1后一度下降到0〔V〕后再次上升到Vg1時的電特性。實線37是使驅動電壓上升到Vg2后一度下降到0〔V〕后再次上升到Vg2時的電特性。為了電子發(fā)射所必要的閾值電場比實線36高，其Ie的量也不同。此外，虛線對是在電壓一次也不下降的情況下從0〔V〕上升到Vg2的發(fā)射電流對于施加電壓的關系進行作圖的曲線。
此外，在圖11中，在一度施加了Vg2后下降到0〔V〕后(結束了特性調整工序后)將驅動電壓施加到Vg2后的到Vg2為止的電特性為與圖11的實線37實質上相同的曲線。此外，以后，即使使電壓從0〔V〕變化到Vg2，該電特性也實質上不變化。
在本發(fā)明中，由于經過特性調整工序的緣故使電子發(fā)射元件的電特性變得穩(wěn)定且閾值電場變高的原因據(jù)推測是，利用特性調整工序使制造工序之后存在的在低電場下能進行電子發(fā)射的那樣的不穩(wěn)定的電子發(fā)射點消失，使發(fā)射電流變得穩(wěn)定。作為其證據(jù)，如果在電特性的測定中進行電子發(fā)射點的觀察，則在實線36和實線37中，電子發(fā)射點像不同，在一度經過了實線37的工序后，電子發(fā)射點像不變化。
這樣，通過在驅動前施加最大施加電場Emax，可使碳層5的電子發(fā)射特性變得穩(wěn)定，使電特性固定。而且，在本發(fā)明中重要之點是，在進行了該特性調整工序后，在驅動電子發(fā)射元件(使電子發(fā)射)時，以不超過在上述特性調整工序中的發(fā)射電流的最大值(等效地說，在上述特性調整工序中在使電子發(fā)射時施加了的最大的電場強度或在特性調整工序中使電子發(fā)射時施加了的最大的電壓)的方式進行驅動。通過以這種方式進行驅動，可維持在上述特性調整工序中得到的I-V特性。但是，這里所說的「在特性調整工序中得到的I-V特性的維持」，不意味著不引起隨時間的電子發(fā)射元件的I-V特性的惡化。
以下敘述應用了本發(fā)明的電子發(fā)射元件的應用例。在基體上排列多個本發(fā)明的電子發(fā)射元件，可構成例如電子源或圖像顯示裝置等的電子發(fā)射裝置。
關于電子發(fā)射元件的排列，可采用各種排列。作為一例，有所謂的矩陣配置，即，在X方向和Y方向上以行列狀配置多個電子發(fā)射元件，將構成在相同的行中配置的多個電子發(fā)射元件的陰極電極2或柵電極3的一方共同地連接到X方向的布線上，將構成在相同的列中配置的多個電子發(fā)射元件的陰極電極2或柵電極3的另一方共同地連接到Y方向的布線上。
以下，使用圖12說明配置多個可應用本發(fā)明的電子發(fā)射元件得到的矩陣配置的電子源。在圖12中，41是電子源基體，42是X方向布線，43是Y方向布線。44是本發(fā)明的電子發(fā)射元件。
m條X方向布線42由Dx1、Dx2、…、Dxm構成，可由采用真空真空淀積法、印刷法、濺射法等形成的金屬等來構成。Y方向布線43由Dy1、Dy2、…、Dyn這n條布線構成，與X方向布線42同樣地形成。在這些m條X方向布線42和n條Y方向布線43之間設置了未圖示的層間絕緣層，對兩者進行了導電性的隔離(m、n都是正的整數(shù))。
未圖示的層間絕緣層由采用真空真空淀積法、印刷法、濺射法等形成的SiO2等構成。例如，適當?shù)卦O定層間絕緣層的膜厚、材料、制造方法，以便在形成了X方向布線42的基體41的整個面上或一部分上以所希望的形狀被形成，特別是能耐受X方向布線42與Y方向布線43的交叉部的電位差。X方向布線42和Y方向布線43分別作為外部端子來引出。
利用X方向布線42和Y方向布線43導電性地連接了構成電子發(fā)射元件44的陰極電極2、柵電極3。
構成X方向布線42和Y方向布線43的材料和構成陰極電極、柵電極的材料的構成元素的一部分或全部可以是相同的，或者也可以各不相同。在構成陰極電極2、柵電極3的材料與布線材料為相同的情況下，也可將布線42、43分別總稱為陰極電極布線、柵電極布線。
在X方向布線42上連接了施加選擇在X方向上排列的電子發(fā)射元件44的行用的掃描信號的未圖示的掃描信號施加裝置。另一方面，在Y方向布線43上連接了根據(jù)輸入信號對Y方向上排列的電子發(fā)射元件44的各列進行調制用的調制信號發(fā)生裝置。對各電子發(fā)射元件44施加的驅動電壓作為對該元件施加的掃描信號與調制信號的差電壓來供給。此外，在此示出了對陰極電極2施加掃描信號、對柵電極3施加調制信號的例子，但也可以是對陰極電極2施加調制信號、對柵電極3施加掃描信號的形態(tài)。
在上述結構中，可個別地選擇電子發(fā)射元件，可獨立地進行驅動。使用圖13說明采用上述的結構的電子源構成的圖像顯示裝置。圖13是示出本發(fā)明的圖像顯示裝置的顯示面板的一例的示意圖。
在圖13中，41是配置了多個電子發(fā)射元件的電子源基體，51是固定了電子源基體41的后板，56是在玻璃基體53的內表面上形成了作為圖像形成構件的熒光體的熒光膜54和作為陽極的金屬基座55等的前板。52是支撐框，在支撐框52上使用諸如熔接玻璃等的粘接材料連接了后板51、前板56。57是外圍器，例如通過在大氣中或在氮氣中在400～500℃的溫度范圍內進行10分以上的燒固以便粘接到后板51、前板56和支撐框52上，進行熔接來構成。
如上所述，外圍器57由前板56、支撐框52和后板51構成。由于后板51主要是以增強基體41的強度為目的而設置的，故在基體41本身具有足夠的強度的情況下，可不需要設置另外的后板51。即，可將支撐框52直接熔接在基體41上，用前板56、支撐框52和基體41來構成外圍器57。另一方面，通過在前板56、后板51間設置被稱為襯墊的未圖示的另一個支撐體，也可構成對于大氣壓具有足夠的強度的外圍器57。
其次，對進行了熔接工序的外圍器(面板)進行密封。
密封工序是通過一邊加熱外圍器(面板)、一邊利用排氣裝置通過排氣管(未圖示)進行排氣、在對外圍器內部進行了排氣后熔斷排氣管來進行的。為了維持外圍器57的密封后的壓力，也可進行吸氣處理。吸氣劑可使用Ba等的蒸發(fā)型或非蒸發(fā)型的。此外，在此示出了熔接后密封排氣管的方法，但如果在真空室中進行熔接工序，則沒有必要在熔接工序后另外設置上述密封工序。
在使用利用以上的工序制造的矩陣配置的電子源構成的圖像顯示裝置中，通過經容器外端子Dx1～Dxm、Dy1～Dyn對各電子發(fā)射元件施加從發(fā)生驅動信號的電路發(fā)生的電壓，可從所希望的電子發(fā)射元件發(fā)射電子。此外，經高壓端子58對金屬基座55或透明電極(未圖示)施加高壓Va，加速電子束。已被加速的電子與熒光膜54碰撞，產生發(fā)光以形成圖像。
本發(fā)明的圖像顯示裝置除了用作電視廣播的顯示裝置、電視會議系統(tǒng)或計算機等的顯示裝置外，也可用作采用感光性鼓構成的光打印機的圖像顯示裝置等。
此外，以電視廣播或衛(wèi)星廣播或文字廣播等的廣播信號為信息、對該信號中包含的信息進行顯示播放的裝置具體地說包括接收上述廣播信號的接收裝置和對已接收的信號進行調諧的調諧器，其中將已調諧的信號中包含的影像信息、文字信息和聲音信息的至少一種信息輸出給上述本發(fā)明的外圍器(圖像顯示裝置)57使之顯示和/或播放。利用該結構，可構成電視機等的信息顯示播放裝置。當然，在對廣播信號進行了編碼的情況下，本發(fā)明的信息顯示播放裝置也變化譯碼器。此外，對于聲音信號來說，輸出給另外設置的揚聲器等的聲音播放裝置，與在外圍器(圖像顯示裝置)57上顯示的影像信息或文字信息同步地播放。
作為輸出影像信息或文字信息給外圍器(圖像顯示裝置)并進行顯示和/或播放的方法，例如可如下那樣來進行。首先，從已接收的影像信息或文字信息中生成與外圍器(圖像顯示裝置)57的各像素對應的圖像信號。然后，將已生成的圖像信號輸入到外圍器(圖像顯示裝置)57的驅動電路中。然后，根據(jù)已輸入到驅動電路中的圖像信號，控制從驅動電路對外圍器(圖像顯示裝置)57內的各電子發(fā)射元件施加的電壓，來顯示圖像。
在本發(fā)明的圖像顯示裝置中，通過在實際的驅動之前進行上述的特性調整工序，可將電特性調整為所希望的特性。對于特性調整工序來說，可在制作電子源基板后經該基板和特性調整工序專用的陽極基板施加電場，也可在進行了上述的熔接工序后的外圍器(面板)的狀態(tài)下進行特性調整工序。但是，較為理想的是，在熔接工序后進行特性調整工序。
再者，通過對所希望的電子發(fā)射元件進行上述的特性調整工序，可應用于減少在作成工序時等產生的供給電子發(fā)射元件的I-V特性的離散性。
即，在特性調整工序中，使各個電子發(fā)射元件的特性變化，以便各個電子發(fā)射元件在驅動時所施加的電壓范圍內成為實質上為同一的Ie(電子發(fā)射電流)和/或If(流過陰極電極與柵電極間的電流)。利用該方法，可使各自的電子發(fā)射特性變得一致，即使存在制作時的離散性，也可提高顯示器等的顯示圖像的均勻性。
例如，對全部的電子發(fā)射元件一度施加相同的電壓，然后，根據(jù)此時檢測了的發(fā)射電流和/或元件電流的值來減少多個電子發(fā)射元件的特性差。例如，可使其它的電子發(fā)射元件的特性變化，以便接近于已檢測的值中呈現(xiàn)最差的值的電子發(fā)射元件的特性。但是，如果已測定的值是可以容許的，則不一定需要調整電子發(fā)射特性。
實施例以下，詳細地說明本發(fā)明的實施例。
〔實施例1〕
利用圖9A至圖9F～圖10A至圖10C的工序制作了電子發(fā)射元件。
(工序1)首先，準備石英玻璃作為基板1，在進行了充分的清洗后，利用濺射法對厚度為700nm的TiN進行成膜，以作為成為陰極電極2和柵電極3的導電性膜31(圖9A)。
(工序2)其次，用濺射法層疊0.08μm的SiOx，使用光刻法經抗蝕劑掩模制作了SiOx掩模32(圖9B)。
(工序3)其次，利用熱燈絲CVD(HF-CVD)法以100nm的膜厚淀積了非晶碳層作為碳層5(圖9C)。
HF-CVD的條件如下，用成膜時間調整了膜厚。
燈絲鎢燈絲溫度1800℃基板溫度室溫氣體甲烷氣體壓力0.1Pa基板-燈絲間距離50mm基板偏壓350V(對導電性膜31施加電壓)對基板照射來自燈絲的電子，即使是室溫，電極表面也被激活，成為氣體被分解而能淀積非晶碳層的條件。在TEM觀察中，已制作的非晶碳層是部分地具有不完全的石墨結構的膜。在表面上存在微細的凹凸，但其表面粗糙度的rms＝6nm(在n+-Si基板上只淀積膜的情況下測定)。
(工序4)使用光刻法以1μm的膜厚制作了抗蝕劑掩模33(圖9D)。w為1μm。
(工序5)
其次，連續(xù)地對非晶碳層和TiN電極進行干法刻蝕。此外，為了完全地刻蝕TiN電極，選擇了石英玻璃基板也多少被刻蝕的條件(圖9E)。
(工序6)其次，在使用剝離液除去了抗蝕劑掩模33后，利用剝離(lift-off)法除去了SiOx掩模32和在其上淀積的非晶碳層。此時，為了除去SiOx，作為大致相同的組成的石英玻璃基板的表面露出的播放也有一些被刻蝕(圖9F)。
將本結構的電子發(fā)射元件配置在真空室內。此時，使用在ITO電極上配置了熒光體的結構作為陽極電極4，將H配置成1mm。
接著，利用圖10A的工序，施加了Va、Vg以便對元件施加最大施加電場。將Va定為5〔kV〕，將脈沖電壓Vg定為脈沖寬度1msec、重復頻率500Hz，占空比50％，將Vg2定為60V。由此，在電子發(fā)射方面所必要的閾值在最初為28V，現(xiàn)在上升到30V。
再者，在真空室內用同樣的配置進行了圖10C中示出的脈沖寬度調制的驅動。利用本工序，作為陽極電極4的熒光體得到了與脈沖寬度對應的亮度。
此外，對于相同的電子發(fā)射元件，進行了下述的工序對陽極電極4的施加電壓Va＝0kV，Vg的脈沖定為脈沖寬度1msec、重復頻率500Hz，占空比50％，將Vg2定為60V。
此時，在電子發(fā)射方面所必要的閾值在最初為28V，現(xiàn)在上升到30V。
在本實施例的結構中，Ea av＝5000V/1mm(＝5V/μm)，Ea gv＝30V/2μm(＝15V/μm)，此外，由于平行地配置了陰極電極2和陽極電極4，故是在膜的上表面上容易受到Ea的影響的結構。因而，在供給最大電場時，施加Va和Vg這兩者是適當?shù)慕Y構。
但是，即使在不施加Va的情況下，也進行了大致同樣的電特性的穩(wěn)定化，這是由元件結構和電子發(fā)射膜的性質所決定的。
本實施例的碳層的驅動時所必要的電場為50V/μm。對于本實施例結構來說，由于在接近于柵電極3的區(qū)域中施加最強的電場，βg～6，超過了Eg＝90V/μm，故發(fā)射點被限定于該接近的區(qū)域中。因而，在本實施例中，可認為即使只施加Vg，也能進行電特性的穩(wěn)定化。
在本實施例中作成的電子發(fā)射元件中，可得到長期穩(wěn)定的電子發(fā)射特性。
〔實施例2〕其次，制作了具有帶有圖6中示出的偶極層11的碳層5的電子發(fā)射元件。本實施例的元件是在更低電場下發(fā)射的元件的例子。
(工序1)～(工序2)與實施例1相同，但將TiN膜的膜厚定為100nm。
(工序3)利用濺射法淀積了膜厚約4nm的碳層5。使用石墨作為吸氣劑，在氬氣氛中進行了成膜。本碳層5的電阻率為1×1011Ωcm。
(工序4)～(工序6)與實施例1同樣地進行。
(工序7)再者，在熱處理爐中，利用以下敘述的條件，在甲烷與氫的混合氣體氣氛中對碳層5進行了熱處理。
熱處理溫度600℃加熱方式燈加熱處理時間60分混合氣體比甲烷/氫＝15/6熱處理時壓力6kPa利用該工序，在碳層5的表面上形成了偶極層11。該狀態(tài)下的碳層5的表面是非常平坦的，rms＝0.2nm(在Si基板上只淀積膜并進行了熱處理的情況下測定)。
將本結構的電子發(fā)射元件配置在真空室內，與實施例1同樣，使用在ITO電極上配置了熒光體的結構作為陽極電極4，將H配置成2mm。
接著，利用圖10A的工序對元件施加最大施加電壓。將Va定為10KV，Vg的脈沖的脈沖寬度定為1msec、重復頻率為500Hz，占空比為50％，將Vg2定為25V。
由此，在電子發(fā)射方面所必要的閾值在最初為8V，現(xiàn)在上升到12V。
再者，在真空室內用同樣的配置進行了圖10C中示出的脈沖寬度調制的驅動。此外，此時將Vg3定為20V。利用本工序，作為陽極電極4的熒光體得到了與脈沖寬度對應的亮度。
在本元件中，平坦性高，但成為在低閾值電場下方式的元件，本實施例的碳層5的驅動時(電子發(fā)射時)所必要的電場為15V/μm。
即使在本實施例中，與實施例1同樣，在供給最大施加電場的工序中，進行了施加Va、Vg這兩者的情況和只施加Vg的情況，但在施加Va和Vg這兩者的情況下變動量小，是最佳的。
在本實施例的結構中，Ea av＝10000V/2mm(＝5V/μm)，Ea gv＝25V/2μm(＝12.5V/μm)，此外，是與實施例1同樣的結構，由于是Ea av，故是在膜的上表面上容易受到Ea的影響。
因為元件結構與實施例1相同，故在接近于柵電極3的區(qū)域中施加最強的電場，但通過降低驅動電壓，βg～3，Eg～40V/μm。此時，即使在膜的上表面上，在某個面積中因而，在本實施例中，也成為可從膜發(fā)射電子的電場。
因而，在本實施例中，在只施加Vg的情況下，有時電特性的穩(wěn)定化是不充分的，利用Va的施加，在與驅動時相同的區(qū)域中施加最大施加電場，可實現(xiàn)穩(wěn)定化。
在本實施例中作成的電子發(fā)射元件中，與能在低電場下進行電子發(fā)射無關，可得到長期穩(wěn)定的電子發(fā)射特性。
〔實施例3〕制作了圖14中示意性地示出的結構的電子發(fā)射元件。
(工序1)首先，準備石英玻璃作為基板1，在進行了充分的清洗后，利用濺射法形成了厚度為500nm的Ta作為陰極電極2。
(工序2)其次，利用HFCVD法，淀積了約30nm的DLC膜作為碳層5的母體材料。DLC膜是電阻率高達1×1012Ωcm的膜。以下示出生長條件。
氣體CH4基板偏壓-50V氣體壓力267mPa基板溫度室溫燈絲鎢燈絲溫度2100℃(工序3)其次，利用離子注入法以25keV、劑量3×1016離子/cm2將鈷注入到DLC膜內。
(工序4)其次，按下述順序淀積厚度(h)＝1μm的SiO2作為絕緣層61，淀積厚度100nm的Ta作為柵電極3。
(工序5)利用旋轉涂敷法形成正型光致抗蝕劑(AZ1500/Clariant K.K.制)。對光掩模圖形進行曝光、顯影，形成了掩模圖形。
(工序6)以掩模圖形作為掩模，使用CF4氣體對Ta的柵電極3進行干法刻蝕，其次，用緩沖氫氟酸刻蝕SiO2膜17，形成了開口w＝5μm。
(工序7)完全除去掩模圖形。
(工序8)其次，在0.1％乙炔氣氛中(99.9％氫)中用550℃、60分鐘的燈加熱進行了熱處理。由此，完成本實施例的電子發(fā)射元件。
本例的碳層5表面也非常平坦，rms＝0.5nm(在Si基板上只淀積了該膜并進行了處理的情況下測定)。
與實施例1、2同樣，將本結構的電子發(fā)射元件配置在真空室內。此時，與實施例1同樣，使用在ITO電極上配置了熒光體的結構作為陽極電極4，將H配置成2mm。
接著，利用圖10A的工序對元件施加最大施加電壓。將Va定為10KV，Vg的脈沖的脈沖寬度定為5msec、重復頻率為40Hz，占空比為20％，將Vg2定為35V。
由此，在電子發(fā)射方面所必要的閾值在最初為8V，現(xiàn)在上升到15V。
再者，在真空室內用同樣的配置進行了圖10C中示出的脈沖寬度調制的驅動。此外，此時將Vg3定為30V。利用本工序，作為陽極電極4的熒光體得到了與脈沖寬度對應的亮度。
本實施例的電子發(fā)射元件的碳層5的平坦性高，但成為在低閾值電場下方式的元件，驅動時所必要的電場為20V/μm。
在本實施例中，利用(工序8)的氣體中的退火處理使注入到DLC膜中的鈷粒子凝集，在碳層5內部分地形成了結晶結構的鈷。其結果，在碳層5中部分地形成鈷粒子的集合體9。此外，對于DLC膜來說，由于退火處理的緣故，與成膜時的DLC膜相比，狀態(tài)發(fā)生了變化。如果用TEM來觀察，則也有部分地石墨化了的部分。
該鈷粒子的集合體部分地提高了導電性。因而，在鈷粒子的周邊，與其它的部分相比，電子容易到達表面。此外，由于與DLC膜的介電常數(shù)的差的緣故，該鈷粒子的集合體在其頂點處成為電場容易集中的結構，從整體上說，成為電子容易發(fā)射的結構。
在本實施例中，也與實施例1、2同樣，進行了來自平坦性良好的電子發(fā)射膜的穩(wěn)定的電子發(fā)射。
此外，因為是薄膜且是平坦性良好的電子發(fā)射膜，故即使在膜上層疊了絕緣層61、柵電極3等的情況下，膜也不會剝落，良好地制作了電子發(fā)射元件。
此外，在本實施例的碳層中，可得到離散的電子發(fā)射點。但是，可根據(jù)所注入的鈷的濃度、所形成的鈷粒子的尺寸來決定發(fā)射點密度。
在本實施例中，用鈷示出了導電性粒子，但可使用其它的金屬粒子，此外，母體材料也不限定于DLC膜。
此外，在本實施例的電子發(fā)射結構中，由于不是由開口直徑w、而是由絕緣層61的厚度h來決定由柵電極施加的電場Eg，故利用實施例1的結構，存在能容易地設定為小于等于1μm的短距離的可能性，此時，存在能進一步減小驅動電壓的可能性。此外，電子束斑尺寸依賴于開口直徑w，通過減小開口直徑w，可減小束尺寸。
此外，在1個元件中可設置多個開口，開口的形狀也不限于圓形，可選擇矩形等其它的形狀。
在本實施例中制作的電子發(fā)射元件中，與能在低電場下進行電子發(fā)射無關，可得到長期穩(wěn)定的電子發(fā)射特性。
〔實施例4〕在本實施例中，使用以在行方向上1000個×在列方向上1000個的矩陣狀配置了實施例2中作成的電子發(fā)射元件的電子源基板41制作了圖像顯示裝置。
關于布線42、43，如圖12中所示，將X方向布線42連接到陰極電極2上，將Y方向布線43連接到柵電極3上。按橫300μm、縱300μm的間距配置了各元件44。
在制作電子源基板41并固定到后板51上后，與具有作為陽極電極4的金屬基座55和熒光體膜54的前板56對置，經外框52熔接，形成了在圖13中示出的面板(外圍器)57。
在該狀態(tài)下，進行了供給最大施加電場Emax的工序。此外，此時在全部的元件44的陰極電極2與柵電極3間施加Vg2〔V〕，使用存儲器存儲了此時各元件44的發(fā)射電流Ie的值。然后，進行了特性調整工序，以使各元件44的Ie大致為均勻，可得到相同的電子發(fā)射量。此外，在該特性調整工序中在陰極電極2與柵電極3間施加的電壓是比Vg2〔V〕高的電壓。
其后，對各元件44施加的電壓是比Vg2〔V〕低的電壓，而且進行了脈沖寬度調制，顯示了圖像。
其結果，可形成能進行矩陣驅動且均勻性良好的圖像顯示裝置。此外，即使在長時間的驅動中，性能也是穩(wěn)定的。
權利要求
1.一種電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于，具有下述工序(A)準備電子發(fā)射元件的工序，該電子發(fā)射元件具有在基板表面上配置的陰極電極、在該陰極電極上配置的碳層和與該陰極電極分離地配置的引出電極，在層疊上述陰極電極和上述碳層的方向上從上述碳層發(fā)射電子；以及(B)在上述引出電極與上述陰極電極間施加比驅動上述電子發(fā)射元件時對上述電子發(fā)射元件施加的電壓高的電壓的工序。
2.如權利要求1中所述的電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于上述碳層的rms表面粗糙度小于等于碳層膜厚的1/10。
3.如權利要求1中所述的電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于上述碳層的rms表面粗糙度小于等于10nm。
4.如權利要求1中所述的電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于上述碳層的表面是平坦的。
5.如權利要求1中所述的電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于通過在上述碳層與上述引出電極之間施加不到1×106V/cm的電場，從上述碳層發(fā)射電子。
6.如權利要求1中所述的電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于上述碳層在表面上具有偶極層。
7.如權利要求6中所述的電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于通過以氫為上述碳層表面的終端來構成上述偶極層。
8.如權利要求1中所述的電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于上述碳層通過在碳母體材料中分散多個導電性粒子而構成。
9.如權利要求8中所述的電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于上述導電性粒子構成在碳層的厚度方向上排列了多個導電性粒子的集合體，上述碳母體材料的電阻率比上述導電性粒子的電阻率高。
10.如權利要求1至5的任一項中所述的電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于上述碳層的表面以氫為終端來構成。
11.如權利要求10中所述的電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于上述碳層通過在碳母體材料中分散多個導電性粒子而構成。
12.如權利要求11中所述的電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于上述導電性粒子構成在碳層的厚度方向上排列了多個導電性粒子的集合體，上述碳母體材料的電阻率比上述導電性粒子的電阻率高。
13.如權利要求8或9中所述的電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于上述碳層的表面以氫為終端來構成。
14.如權利要求13中所述的電子發(fā)射元件的制造方法，其特征在于通過在上述碳層與上述引出電極之間施加不到1×106V/cm的電場，從上述碳層發(fā)射電子。
15.一種圖像顯示裝置的制造方法，該圖像顯示裝置具備陽極電極和在離開上述陽極電極的位置的基板表面上配置的多個電子發(fā)射元件，其特征在于，具有下述工序(A)在基板表面上準備上述多個電子發(fā)射元件的工序，上述多個電子發(fā)射元件分別具有在其上配置碳層的陰極電極、終端上述碳層表面的氫和與上述陰極電極分離地配置的柵電極；(B)從上述多個電子發(fā)射元件中選擇所希望的電子發(fā)射元件的工序；以及(C)在上述已被選擇的電子發(fā)射元件的柵電極與陰極電極之間施加在驅動該已被選擇的電子發(fā)射元件時對該已被選擇的電子發(fā)射元件施加的電壓高的電壓的工序。
16.如權利要求15中所述的圖像顯示裝置的制造方法，其特征在于執(zhí)行上述(C)工序，以便減小上述多個電子發(fā)射元件中電子發(fā)射特性的差別。
17.如權利要求15中所述的圖像顯示裝置的制造方法，其特征在于上述碳層的rms表面粗糙度小于等于碳層膜厚的1/10。
18.如權利要求15中所述的圖像顯示裝置的制造方法，其特征在于上述碳層的rms表面粗糙度小于等于10nm。
19.如權利要求15中所述的圖像顯示裝置的制造方法，其特征在于上述碳層的表面是平坦的。
20.如權利要求15中所述的圖像顯示裝置的制造方法，其特征在于通過在上述碳層與上述引出電極之間施加不到1×106V/cm的電場，從上述碳層發(fā)射電子。
21.如權利要求15中所述的圖像顯示裝置的制造方法，其特征在于上述碳層在表面上具有偶極層。
22.如權利要求21中所述的圖像顯示裝置的制造方法，其特征在于上述偶極層包括以上述氫為終端的表面。
23.如權利要求15或21中所述的圖像顯示裝置的制造方法，其特征在于上述碳層通過在碳母體材料中分散多個導電性粒子而構成。
24.如權利要求23中所述的圖像顯示裝置的制造方法，其特征在于上述導電性粒子構成在碳層的厚度方向上排列了多個導電性粒子的集合體，上述碳母體材料的電阻率比上述導電性粒子的電阻率高。
25.一種圖像顯示裝置的制造方法，該圖像顯示裝置具備多個電子發(fā)射元件和通過照射從該多個電子發(fā)射元件發(fā)射的電子而發(fā)光的發(fā)光體，其特征在于，具有下述工序相對地保持配置了上述多個電子發(fā)射元件的第1基板與配置了上述發(fā)光體的第2基板的工序；以及將對上述多個電子發(fā)射元件供給驅動信號的電路連接到上述多個電子發(fā)射元件上的工序，其中，上述多個電子發(fā)射元件分別具有在其上配置碳層的陰極電極、終端上述碳層表面的氫和與上述陰極電極分離地配置的柵電極。
26.一種圖像顯示裝置的驅動方法，該圖像顯示裝置具備多個電子發(fā)射元件和通過照射從該多個電子發(fā)射元件發(fā)射的電子而發(fā)光的發(fā)光體，其特征在于對上述多個電子發(fā)射元件施加的驅動電壓小于等于在制造上述多個電子發(fā)射元件時所施加的電壓，其中，上述多個電子發(fā)射元件分別具有在其上配置碳層的陰極電極、終端上述碳層表面的氫和與上述陰極電極分離地配置的柵電極。
27.一種圖像顯示裝置，該圖像顯示裝置具備多個電子發(fā)射元件、通過照射從該多個電子發(fā)射元件發(fā)射的電子而發(fā)光的發(fā)光體和供給控制來自上述多個電子發(fā)射元件的電子發(fā)射的信號的驅動電路，其特征在于在驅動上述圖像顯示裝置時從上述驅動電路供給上述多個電子發(fā)射元件的信號是小于等于在制造上述多個電子發(fā)射元件時所施加的電壓的信號，其中，上述多個電子發(fā)射元件分別具有在其上配置碳層的陰極電極、終端上述碳層表面的氫和與上述陰極電極分離地配置的柵電極。
28.一種調節(jié)電子發(fā)射元件的電子發(fā)射特性的方法，其特征在于，具有下述工序準備具有在其上配置碳層的陰極電極、終端上述碳層表面的氫和與陰極電極分離的引出電極的電子發(fā)射元件；以及在引出電極與陰極電極之間施加用來調節(jié)電子發(fā)射元件的電子發(fā)射特性的調節(jié)電壓，其中，該調節(jié)電壓高于在用于從碳層發(fā)射電子的通常驅動時施加于引出電極與陰極電極之間的電壓。
全文摘要
本發(fā)明的課題是提供電特性穩(wěn)定的、在元件間沒有離散性的電子發(fā)射元件的制造方法。在基板(1)上形成陰極電極(2)、在該陰極電極(2)上配置的碳層(5)和柵電極(3)，配置陽極電極(4)，對碳層(5)施加比驅動電壓低的電壓。
文檔編號H01J31/12GK1599002SQ200410058618
公開日2005年3月23日 申請日期2004年7月23日 優(yōu)先權日2003年7月25日
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