JPH09512659A

JPH09512659A - 選択的形状の電界放出電子ビーム源、およびそれと共に使用する蛍光体配列

Info

Publication number: JPH09512659A
Application number: JP7524832A
Authority: JP
Inventors: ジョーンズ．グレイ．ダブリュ
Original assignee: フェド．コーポレーション
Priority date: 1994-03-24
Filing date: 1995-03-24
Publication date: 1997-12-16
Also published as: EP0758485A4; EP0758485A1; WO1995026037A1; US5583393A

Abstract

(57)【要約】電界放出体素子（１６）の配列（１４）を上に持つ基板材（１２）を内蔵する電子および／またはイオンビームの選択放出用の電界放出体装置（１０）で、その電界放出体素子および／または基板材が適当なフォーカシングおよび／または方向性のビームを生成する多様なコンフォーメーションを持つもの、また電子ビームの衝突に反応して出力を生成する表示物品（２６０）で、その上に蛍光体素子の配列（２６４）が配置されている基板材（２６２）を内蔵し、蛍光体素子を基板材上の所定の位置に維持するために、蛍光体素子にダイヤモンド状の膜がコーティングされているものも開示する。またこのような電界放出体装置およびフラットパネルディスプレイのような表示物品を内蔵する電界放出器（２１０）も開示する。

Description

【発明の詳細な説明】選択的形状の電界放出電子ビーム源、およびそれと共に使用する蛍光体配列発明の分野本発明は、電界放出体装置を使用する電子ビームのシェーピングとフォーカシングのための新規の手段、およびこのような電界放出体電子ビーム装置と共に有効に使用できる種類の新規の蛍光体配列に関するものである。関連技術の記述電子ビーム源の手段は、広範なマイクロエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスのアプリケーションで使用されている。例として、フラットパネルディスプレイ、ＣＲＴ、クライストロン、クロスフィールドアンプリファイア、３極管、５極管、電子顕微鏡および電子ビームライティングツールが挙げられる。電子ビーム源を、特定の最終用途のアプリケーションに最も適した特定の希望する電子ビームのフォーカシング特性および選択的形状の電子ビームを提供するように容易に修正できるこれらのアプリケーションで使用することには大きな利点があるが、これまでの技術の電子ビーム源の手段は、一般的にいって、固有のフォーカシング効果に限定されていた。そのため、本発明の１つの目的は、その１つの側面として、このような固有の限界を克服したほとんど無限の範囲の電子ビームフォーカシングおよび電子ビームシェーピング能力を生み出すために使用できる電界放出源の手段を提供することにある。電子ビームがその上に蛍光体素子を持つスクリーンまたはプレート材に向けられるディスプレイ用途の電界放出源手段の使用においては、高い輝度および出力レベルで多様な問題が存在する。これらには蛍光体粒子の移動の問題およびこのような高エネルギー状態で発生する大量の熱の散逸の問題が含まれる。そのため、本発明のもう１つの目的は、そのもう１つの側面として、従来の技術が持つこのような移動および熱の散逸の欠陥を大きく軽減するような構造と配置の蛍光体素子の蛍光体配列を提供することにある。本発明のそのほかの目的および利点は、これに続く開示および添付の請求の範囲からより明らかになるであろう。発明の要約本発明の１つの全体的実施態様として、例えばアンゲーティッドカラム放出体のような電界放出体配列が使用され、放出体は、自動フォーカシングを伴ってシェーピングされる電子ビームを作り出すように配置される。そのため、本発明は製造が簡単かつ経済的で、使用効率の高い電子ビームのフォーカシング配列を提供する電界放出体配列（ＦＥＡ）の構造を意図している。配列は、以後で詳しく述べるように、電界線および電子放出特性の輪郭を決定できるようにして、希望するビームの幾何学形状へのフォーカシングとシェーピングの選択の可能性が大きくなるように電子ビームのコンフォーメーションを改善するのに適した構成となる。本発明の別の具体的な実施態様は、イオンビームのフォーカシングとシェーピングを提供する電界放出体の配列を内蔵するイオン源装置に関するものである。本発明の実用にあたって実施される電子／イオンビームのフォーカシングとシェーピングは、以後に詳しく述べるように、電界放出体素子および／またはその上に電界放出体素子が配置される基板材の極めて多様なコンフォーメーション（電界放出体配列における空間の配置、構成部品および材料の配置、またはそのほかの物理的特性または材料特性の変化）により提供することができる。本発明の一般的な実用においては、電界放出体素子の配列が使用されるが、この場合、電界放出体素子は同じ入力電圧に曝されて、電子／イオンビームの強度および／または方向束の変動が、唯一電界放出体素子および／または基板材のコンフォーメーションの変化に帰されるようにするのが望ましい。ただし、本発明によるこれらの電界放出体素子および／または基板材のコンフォーメーションの変化に加えて、本発明の構造および方法の特定の最終用途のアプリケーションにおいて必要とされるか、または望まれる電子／イオンビームの追加のフォーカシングおよび／またはシェーピングを提供するために、各種の放出体素子またはこのような素子の小配列に合わせて入力電圧を選択的に変化させることが可能であることを認識する必要がある。本発明のもう１つの実施態様として、上記の電子ビーム源手段と共に使用するのに適した性能の表示ユニットが提供される。この表示ユニットは、その上に蛍光体素子の配列が配置される基板材を内蔵し、（１）蛍光体素子を所定の位置に維持し、（２）表示ユニットの運転中の、蛍光体素子に電子ビームが衝突するときの熱の散逸を容易にするために高い熱伝導率を提供し、（３）表示ユニットの照明部分から電気的負荷を移動させるための十分な電気伝導率を提供するために、蛍光体素子には、高い熱伝導率のダイヤモンド状の膜がコーティングされる。本明細書で使用する語句「ダイヤモンド状の膜」は、炭素質の膜で（ｉ）電子ビームの侵入に適した、例えば、２０ナノメートルから２００ナノメートルの範囲の厚さで、（ｉｉ）ダイヤモンドの結晶構造またはクリスタリット部分を持つものを言う。本発明に関連する１つの方法として、蛍光体素子を基板材上の配列に配置し、蛍光体素子にダイヤモンド状の膜、またはその前駆物質を溶着して、蛍光体素子の表示ユニットを形成し、上記の（１）から（３）の利点を達成する方法がある。この方法の他の実施例として、基板材上の蛍光体素子に、例えば、ニトロセルロースまたはその他の物質の電気防食材の層で、物理的または化学的処理方法によって容易に除去できるもの（例、ニトロセルロースの電気防食層の場合は加熱）をコーティングすることができる。次に、電気防食層の上にダイヤモンド状の膜を溶着し、そのあと、電気防食層を除去する。その結果、電気防食層は、基板材の円滑な動作を助けることになる。この方法のもう１つの改良として、ダイヤモンド状の膜を、例えばホウ素または窒素のような適当な種類の添加物を使ってドーピングし、膜の色を黒くして、表示ユニットにはっきりした対照性を与えることができる。本発明は、上記の方法の他の実施例または改良により製造した表示ユニットを包含する。電界放出体装置に関連する別の側面として、本発明は、電子ビーム源の手段、およびダイヤモンド状の膜が溶着された蛍光体素子を持つ基板材を内蔵する陽極構造体を備えた空気が抜かれる容器で、ダイヤモンド状の膜が、空気が抜かれる容器から汚染ガス（排ガス、拡散性能の劣る環境ガス）を除去するために高い吸着性の残留ガス除去性能を備えているものを含む。本発明のそのほかの側面および特性は、以後に続く開示と添付の請求の範囲からより明らかになっていくであろう。図面の簡単な説明図１は、本発明の１つの実施例によると、カラム電界放出体素子の配列の立面の略図である。図２は、本発明のもう１つの実施例による、リング状のカラム電界放出体素子の配列を真上からみた平面図である。図３は、本発明の別の実施例による、同心円状のもう１つのカラム電界放出体素子の配列を真上からみた平面図である。図４は、図２および図３のリング状のカラム電界放出体素子の配列を使った、本発明のもう１つの実施態様による電界放出体装置の部分の側面の断面図である。図５は、自動フォーカシングまたはビームシェーピング効果を作り出す可変抵抗の基板材構造を使用した電界放出体装置の部分の側面図である。図６は、自動フォーカシングまたはビームシェーピング効果を作り出す基板材上の抵抗層を使用した電界放出体装置の部分の側面図である。図７は、自動フォーカシングまたはビームシェーピング効果を作り出す変化する高さのカラム電界放出体の部材の配列を使用した電界放出体装置の部分の側面図である。図８は、自動フォーカシングまたはビームシェーピング効果を作り出す変化する高さの先端／レジスタコンポーネントのカラム電界放出体の部材の配列を使用した電界放出体装置の部分の側面図である。図９は、先端の形状が変化することによって、装置が生み出す電子ビームの形状と強度を変える電界放出体素子を示す電界放出体装置の部分の側面図である。図１０〜１４は、本発明の１つの実施例による、基板材上の電界放出体素子の配列を形成を示す基板材の側面の断面図である。図１５は、電界放出体素子が、絶縁体または高い仕事関数の材料の層に取り囲まれている、本発明のもう１つの実施例による電界放出体装置の部分の側面の断面図である。図１６は、湾曲した電界放出パネルを使用した、本発明の１つの実施例による電界放出体表示パネルの部分の側面の断面図である。図１７は、本発明のもう１つの実施例による電界放出体表示パネルの部分の側面の断面図である。図１８は、本発明の１つの実施例によるイオン放出体装置の部分の側面の断面図である。図１９は、本発明の１つの実施例による蛍光体配列装置の部分の側面図である。発明の詳細の説明およびその好適な実施例本発明は、電界放出体素子および／またはこれらの素子の配列の基板材を適当なコンフォーメーションに配置することによって、電子またはイオンビームの強度（フォーカシング）や方向を選択できるという発見に基づいている。前述したように、本発明の実用化にあたって実施される電子／イオンビームのフォーカシングおよびシェーピングは、電界放出体素子および／またはその上に電界放出体素子が配置される基板材のコンフォーメーション（空間的な配置、構成部品または材料の配置、または電界放出体配列の物理的特性または材料特性の変化）を変えることによって達成できる。本発明により有効に使用することができるこれらの多様なコンフォーメーションには、以下で述べる具体例が含まれる。より具体的には、これらの多様なコンフォーメーションは、以下のものを含むが、これらに限定されることはない。 (ｉ) 基板材上の放出体素子の変化する密度。 (ii) 電気抵抗が変化する構成の電界放出体素子で、配列、またはその小配列の部分の電界放出体素子の間で変化するもの。 (iii) 基板材またはその一部の電気抵抗が変化する構成。 (iv) 基板材と少くとも配列のいくつかの電界放出体素子の間に挿入される電気抵抗が変化する材料。 (ｖ) 配列の電界放出体間の高さが変化する。 (vi) 配列の電界放出体の間で形状が変化する。 (vii) 基板材の電界放出体素子が配置されている表面の少くとも一部を非平面状にする。本発明の範囲に入る多様な実施態様および特性の実施例は、多様で、無限に存在することを考慮に入れて、ここで図面を参照すると、図１は本発明の１つの実施例による電界放出体装置１０の立面の略図を示している。電界放出体装置１０は、電界放出体素子１６の配列１４がその上に配置された、シリコンまたはその他の電導性の建築材料のような適当な材料で構成されている基板材１２を内蔵する。カラムの形状で示されている電界放出体素子１６は、円筒状の主要本体部分１８を持ち、その上端は、従来から知られていて、使用されている超切削技術によって製造され、尖った形状を持つ集中先端２０である。電界放出体素子１６の各々は、その下端２２で、基板材１２と一体になるように接合され、電界放出体素子は、このようなカラム素子を提供する基板材のエッチングを含む従来の製造技術により適切な一体構造に加工される。電界放出体素子１６が配置される表面２６の反対の側面になる基板材１２の背面２４には、チタンのような適当な金属の背面金属コーティングを施すことができる。電界放出体装置１０の下に描かれている矢印の方向Ａは、電界放出体素子の密度が減少する方向を示している。別の言葉でいえば、電界放出体装置を左から右に見て、単位面積あたりの電界放出体素子１６の数は、この方向Ａのカラムが入る間隔が大きくなるに連れて減っていく。図１に示す電界放出体装置１０は、図に示すために全体的に簡略化されていることに留意する必要がある。実際の製造においては、電界放出体素子１６は、図面に示すように二次元の配列を持つか、あるいはより望ましいのは、このような電界放出体素子の配列が三次元で、電界放出体素子が、上端面２６の長さ方向（方向Ａ）と幅方向を横切って、この面２６の全体面積を横切ることである。図１の装置は、前述したように、方向Ａに沿って、電界放出体素子の密度が減少する。この方向Ａでは、電界放出体素子の先端での電界は増大し、作動電圧を下げることが要求される。望ましい実用においては、配列１４の各電界放出体素子１６への入力電圧は等しく、放出体用の閾値動作電圧のレベルは、配列内の最低の作動電圧を持つ。このような均等な入力電圧は、電流搬送ガードワーク、電導層、または複数の電界放出体素子を内蔵する配列内の電界放出体素子を充電するために当業界で通常、使用するそのほかの手段を通して、電界放出体素子に提供できる。配列内の各種の個別の放出体素子または放出体素子のグループに不均等な電圧を提供する電界放出体装置はまだ製造、配置されているが、それと同時に、電子ビームまたはイオンビームのフォーカシングおよび／または選択的方向付け用に製造および配置された電界放出体配列を提供することは、本発明の広い範囲に入る。その結果、図１に示す配列においては、Ａの方向に連続する放出体素子は、減少する作動電圧レベルを持ち、また電圧は、各々の放出体素子に、その閾値作動電圧特性に合せて、選択的に入力することができる。図１の配列では、方向Ａに沿って、図に示される放出体素子の連続に従って、高電界条件下での空間電荷は減少していく。図１の配列１４は、電界放出体素子の間隔を変えることにより、個別の放出体に関連する電子ビームを変える本発明の実施を示している。一般的にいって、電界放出体配列の放出体素子のサイズと形状は、多様なビームの形状を作り出すおよび／またはビームのフォーカシングを拡張するために大きく変えることができる。放出体素子の密度は、図１に示すように変えて、抽出電界の不均等性を訂正し、電子／イオンビーム内の密度勾配を修正し、自動（固有の）フォーカシングのための電子軌道制御またはイオン軌道制御（電界放出体装置のタイプが電子源がイオン源かによる）を作り出すことができる。図２は、本発明のもう１つの実施例による、リング状のカラム電界放出体配列３０を上からみた平面図である。配列３０は、大きな径の外側リングを含む複数のカラム電界放出体素子３２、および小さな径の内側リングの電界放出体素子３６を内蔵する。カラム電界放出体素子は、その高さまたは長さの寸法（Ｌ）およびその円筒形の断面の直径（Ｄ）、ならびに通常、１より大きく、３より大きい値のような適当な値であればよい該当する縦横比Ｌ／Ｄによって幾何学的に特徴づけることができる。このような定義は、円形断面（縦方向の軸の放出体素子に鉛直に測定する）の電界放出体素子に特有のものであるが、本発明の電界放出体装置が関係する特定の最終用途のアプリケーションにおいて必要なまたは望まれる、例えば、四辺形の多角形の断面、またはその他の幾何学的に規則的なまたは不規則な断面形状を持つ非円筒形の放出体素子の使用も本発明の範囲に入る。それでも、実用では、製造の容易さおよび運転上の配慮から、円形断面の幾何学形状を持つカラムタイプの電界放出体素子を使用するのが望ましい。図３は、本発明のもう１つの実施例による、リング状のもう１つのカラム電界放出体配列４０を上からみた平面図である。配列４０は、各種サイズの複数のカラム放出体素子を内蔵する内部リング部分４２および可変サイズの放出体素子を内蔵する外部リング部分４４を含み、内部リング部分４２と外部リング部分４４は同心である。図４は、本発明のもう１つの実施態様による電界放出体装置５０の部分の側面図で、図に示すように間隔をあけた配列５４と５６の電界放出体素子５２を使用し、高いリング構造５６が低いリング構造５８と共に設置され、線６０はこのような放出体素子およびリング構造に関連する電界の均等な電位線を示す。図４の電界放出体装置は、例えば、シリコンのような適当な材料で成形することができる基板材６２を含み、また基板材は、その背面６４に適当な材料（例、Ｔｉ＋Ａｌ）の背面接触層６６を付けて供給できる。図４の矢印６８と７０は、各々配列５４と配列５６の放出体素子が生成するビーム内の電子の通路を示す。図２〜図４の具体例は、図４の電子ビーム束が示すような、電子ビームのフォーカシング効果を生み出すために電界放出体素子の配列と組合せたスペースまたはリングのような構造体の有利性を示している。図５は、その上面７８が放出体装置に可変抵抗性を与える適当な材料の層８０でコーティングされている。シリコンのような適当な材料の主要本体部分７６を持つ可変抵抗の基板材７４を使用する電界放出体装置７２の部分の側面図である。層８０は、例えば、基板材に各種の抵抗性を与える適当な種類の添加物または不純物がドーピングまたは注入されている基板材の主要本体部分を包含することができる。またはその替りに主要本体部分７６を、図に示すような別途の分離した溶着層８０で覆うこともできる。カラムタイプの電界放出体素子８４の配列８２が、基板材上に設置され、図に示す構造で、可変抵抗層８０が、基板材７４の主要本体部分７６と配列８２の電界放出体素子８４の間に挿入される。図６は、それ自体が基板材９２に溶着されている中間電導層９０の上に溶着する抵抗層８８を使用する電界放出体装置８６の部分の側面図である。この装置では、電界放出体素子９６の配列９４は、図に示すように抵抗層の上に設置される。電導層９０と抵抗層８８は、基板材９２の前駆物質による電界放出体素子９６の形成のあとに溶着する。層９０と８８が、放出体素子の形成後に溶着することで、電界放出体素子９６と基板材９２が互いに一体となることに留意する必要がある。図６の装置では、基板材９２は、ガラスまたはその他の適当な材料、導体（電導層）９０は、クロムのような適当な金属で製造することができる。それに合わせて抵抗層は、クロムや二酸化ケイ素のような物質を包含することができる。この図６の装置では、抵抗層８８の抵抗特性は、層にまたがって選択的に変化して、放出体素子９６が放出する電子ビームのフォーカシングまたは再方向付けのために有効に使用される抵抗性が変化する構成部分を作り出すことができる（ここでいう再方向は、このような可変抵抗層を持たない同等の装置と比較した、図６で構成されるような装置の方向を意味する）。図７は、背面金属コーティング１０８を持つ基板材１０６上に溶着される高さが変化する電界放出体素子１０４の配列１０２を内蔵する電界放出体装置１００の部分の側面図である。このような放出体素子１０４と配列１０２の高さが変化する特性は、適切な電圧の作動条件に晒されたときに、放出体が生成する電子束のフォーカシングを実現するために利用される。図８は、自動フォーカシングまたはビームシェーピング効果を提供する可変長さの先端／レジスタ部分のカラム電界放出体素子１１２の配列を特徴とする電界放出体装置１１０の部分の側面図である。図に示すように放出体素子１１２は、例えば、炭素質またはダイヤモンド状の膜またはニオブ、タンタル、チタン、ケイ化チタン等の加工処理が可能な導体をコーティングしたシリコンで製造できる上部遠位部分１１４を内包している。放出体素子１１２はさらに、例えば、シリカ組成物のような抵抗性を与えるのに適した組成物の近位部分１１６も内包している。その結果、放出体素子は、放出体素子に関連する抵抗を変えるために使用する異なった長さの近位レジスタ部分１１６を持つことができる。放出体素子は、例えばガラス、サファイア、またはその他の適当な物質で構成され、例えば、クロムを包含することができる基礎導体１２０がその上に形成されている基板材１１８の上に配置することができる。図９は、電界放出体素子１２４の先端の形状が可変で、それに合わせて装置が生成する電子ビームの形状と強度を変えることができることを特徴とする電界放出体装置１２２の部分の側面図である。そのため、紹介されている装置１２２は、尖った先端１２８を持つ、カラム形態の放出体素子の中心配列１２６で、放出体素子が基板材１３０と一体に構成されているものを特徴とする。装置１２２はさらに、平面のまたは平らな傾斜の形状の尖っていない先端１３４を持つ放出体素子１２４を内蔵する放出体素子の配列１３２を含む。装置１２２はさらに、放出体素子１３８および１４２の配列１３６を内蔵する。素子１３８と１４２は、その先端で反対側に傾斜し、平らな先端面を持つ介在先端素子１４０により互いに離されている。本発明の電界放出体装置の多くの実施例では、設計の弾力性が高いという理由により、カラム形状の放出体素子が使用されていることが分かっているが、単純なピラミッド形や先端が尖った形のようなそのほかの構造の放出体素子も本発明の実用の広い範囲で使用可能である。カラム放出体素子の構造は、放出体素子の構造レベルでの電界を増大させるカラム形状の能力、ならびに放出体素子に関連する電界の輪郭を選択できる能力ゆえに、その他の幾何学形状と比較して低電圧での電子の放出を可能にする。放出体素子は、本書の前の部分の図の説明で示されているような形状の先端部分を持つことができ、多様なカラムまたはリボンの構造は、本発明の実用化の広い範囲で、きわめて多様な形で、平らなまたは尖った頭部（先端）を設けることができる。図１０〜１４は、本発明の１つの実施例の分野の、基板材上の電界放出体素子の配列の形成を示す基板材の側面の断面図である。図１０を参照すると、ウエーファー基板（基板材）部材１５０が供給され、その上に、エッチマスク１５２が溶着または移植されいている。ウエファー基板は、シリコンまたはその他の適当な材料で構成され、エッチマスクは、シリカ（ＳｉＯ₂）、Ｓｉ₃Ｎ₄、または、ＳｉＯ₂上のＡｌを包含することができる。次に絶縁体が型どられ、そのあと、例えばよく知られていて、通常、使用されている反応イオンエッチング（ＲＩＥ）技術を使って、エッチングされる。型どりとエッチングがなされた基板材は、次に等方向にエッチングされ、基板材１５０上に先端部分１５４が形成される図１１に示す構造を作り出す。例えば、シリコン基板材の場合は、等方エッチングは、ＳＦ₆を使用するプラズマエッチング技術を用いて実施することができる。平らな頭部の電界放出体素子の形状を望む場合は、等方エッチングの段階は省略できる。次に、基板材１５０をＲＩＥ技術を使ってエッチングし、基板材１５０の上にカラム放出体素子１５６が形成される図１２に示す構造を作り出す。シリコン基板材の場合は、図１２の構造を作り出すＲＩＥ作業は、ヘリウム内の塩素ガスを使って実施することができる。次に、先端部分１５４を尖らしてキャップ１５２を除去する。この作業は、よく知られていて、確立されている技術を用いた適当なやり方で実施することができる。最初の方法としては、シリコン材料を酸化させ、ＨＦまたは緩衝酸化物エッチングを使ってキャップ１５２を取り除くことができる。放出体素子の先端を鋭くするか、または反対に平坦部分を残すかどうかは、酸化プロセスの度合いで決定する。酸化シリコン（ＳｉＯ₂）は次にＢＯＥでエッチングし、先端を露出させ、キャップを取り除く、電導性のキャップ材料が使用されている場合は、キャップは取り外しても、残してもどちらでも良い。放出体素子の先端を尖らし、そのキャップを除去する代替の方法として、ＳＦ₆ と酸素を使って、プラズマエッチングによりシリコンをエッチングするか、またはウエットエッチング試薬（例、ＨＦ＋酢酸＋硝酸）を使用することができる。これらのエッチングは、希望する先端の形状に基いて完了するまでまたは部分的に完了するまで必要に応じて繰り返すことができる。キャップ１５２は、前述したように、電導性の材料でできている場合は、その場に残すことができるが、殆どのアプリケーションにおいては、キャップを取り外して、放出体素子の先端部分を尖らせることが望ましい。先端の形状は、エッチング特性、およびエッチングシステムの圧力、ガスの組成、およびガス流量のようなプロセスパラメータを変更して変えることができ、均一な先端、または各種の形状の先端を作り出すことができる。図１３および１４は、前述の方法により製造することができる基板材１６２上の電界放出体素子１６０を示している。図１３に示す放出体装置は、例えばチタンやアルミニウムのような背面接触層１６４を持つことを特徴とし、その下が最終的な基板材および放出体素子の構造となる酸化とエッチングにより除去される部分１６６を示している。放出体素子１６０の上端には、窒化ケイ素上のアルミニウムを包含することができるキャップ１６８が取り付けられている。図１４は、例えばシリコンまたはタンタルで加工できる基板材１７２で、その背面にアルミニウム上のチタンの接触金属層１７４を備えるものを内蔵する放出体装置１７０を示している。放出体素子１７６は、尖った先端１７８、ならびに基板材１７２および放出体素子１７６の表面が炭素のような低い仕事関数の材料の膜１８０でコーティングされていることを特徴とする。先端を尖らせて、キャップを取り除いたあとは、希望すれば、電界放出体素子を電子源（またはイオン化ガスのようなイオン化物質と接触するときはイオン源）として使用することができ、装置は、フラットパネルディスプレイ、ＣＲＴ等のマイクロエレクトロニクス機器で適切に使用することができる。いくつかのケースでは、イオンビームまたはプラズマで溶着するダイヤモンド状の炭素のような低い仕事関数のコーティング材料の膜を溶着して、放出体構造の性能を高めることが望ましい。放出体素子の先端の事後処理は、水素９０％、窒素１０％から、水素１０％から窒素９０％までの組成の窒素と水素の成形ガス内で実施することができる。安全上の理由からは、水素６〜１０％、窒素９４〜９０％の組成が望ましい。ダイヤモンド状の炭素のコーティング材料に加えて、そのほかの低い仕事関数のコーティング材料には、クロム、ケイ化クロム、セシウムおよびバリウムが含まれる。本明細書の前の部分で例を挙げて記述しているカラム構造の放出体素子のカラムに関しては、カラム内の微小孔シリコンの形成が前述の事後処理の効果を高める。微小孔シリコンは、放出体素子の配列をフッ化水素に浸け、浸した電界放出体配列に電流のパルスを送って形成する。電界放出体配列を成形したあとの配列の取り付けは、放出体素子の部分の外側に絶縁材または高い仕事関数の材料を型どりして、溶着することにより容易になる。このような処理は、ソースの先端の欠陥箇所または端部からの放出を軽減するために利用することができる。代替として、意図する電子放出区域の外側に大きな絶縁部分を残すように放出体の型を設計し、低い仕事関数のフーティングを絶縁材の上に設置して、放出体が電子源と結合する能力を軽減する方法がある。図１５は、電界放出体素子の配列を構成する複数の電界放出体素子１８６がその上に配置されている基板材１８２を内蔵する電界放出体装置１８２を示している。放出体素子１８６は、図に示すように絶縁体または高い仕事関数のコーティング１８８に取り囲まれている。電界放出体配列の成形においては、カラム構造の遠位部分でのキャップの取り外し前にも絶縁体を溶着することができる。例えば、先端を露出させるためにシリカキャップをエッチングする前に、キャップの上にアルミナをスパッタリングして溶着することができる。アルミナの低いエッチング速度のせいでアルミナはその場に残留し、放出コーティングを基板材から部分的に絶縁して、電子（イオン）ビームのフォーカスと形状の選択的な制御を実施するもう１つの変化を提供する。代替の方法では、基板材の上に抵抗層を溶着し、オプションとして電導層を溶着することができる。基板材は、適用される加工処理にも生き残ることのできる金属、セラミック、またはガラスなどの適当な、物理的に安定した材料で成形することができる。放出体のカラム材料は、選択された放出体素子の形状に成形できる材料であればなんでもよい。いくつかのケースでは、造型または押出し加工技術を使って放出体素子を成形することが可能である。前述したように、放出体素子は基板材と一体で成形することができ、このような一体型は、望ましい構造であるが、いくつかのケースにおいては、放出体素子を基板材とは別途に製造し、適当な固着または接着技術を使って、基板材に適切に固定することもできる。放出体素子の製造材料としては、タンタル、ＴＩＷ、シリコン、ＷＳｉ₂のようなケイ化物などの材料が使用できる。シリコンの場合は化学蒸着法（ＣＶＤ）、蒸着、またはスパッタ技術のような適当な技術を用いてこの材料を溶着することができる。いくつかのケースにおいては、ダイヤモンド状の炭素のカラム電界放出体素子を成形することが望ましい。この場合、シリカ（ＳｉＯ₂）のキャップとＲＩＥ−Ｏ₂のエッチング試薬が一緒に使用される。図１６は、湾曲した電界放出パネル１９２を陽極またはゲート電極と組合せて使用する、本発明の１つの実施例による電界放出体装置の部分の側面図である。電極構造では、ゲート電極は、ゲート構造により区切られる開口部１９８を持つ区切りゲート材１９８を内蔵する。陽極構造では、部分１９８は堅固で、部分１９６と連続して、湾曲放出構造体によりフォーカシングされる湾曲陰極からの電子が衝突する連続的な陽極を構成する。放出体構造１９２は、基板材１９９を内蔵し、基板材はその上に電界放出体素子２０２の配列２００を持つ。放出体素子は、基板から放出体素子の先端まで上向きに尖らせるか、または前述のやり方で別の形に成形することができる。この具体例では、基板材１９９は、比較的弾力的な、変形可能なタイプで、応力誘起背面層２０４と組合されている。この背面層は、最初に、基板材１９９に固定されるときは、基板材１９９それ自体と同様、平坦な形状をしている。応力誘起層２０４を、示差的な内部方向への変形相転移を引き起こすように加工処理して、この層と組合せた基板材を図１６に示す湾曲した形（凹）に反らすか曲げる。代替の方法として、背面層２０４に示差的な転移を引き起こす処理を行って、反対の湾曲（凸）形状に成形することもできる。この場合、電界放出体素子は、それに合せて方向付けられ、希望する電界束（強度）と方向性が与えられる。図１６の実施例の基板材１９９の凹形の湾曲は、例えば、基板材１９９の変形または巻き込みを引き起こす、例えば加熱またはその他の示差熱相転移効果により生じる背面層２０４の変形によって引き起こされると述べているが、いくつかの場合では、背面層２０４を含む複合構造の必要なしに、基板材１９９それ自体を、その選択した部分に、変形させるための選択的な力を加えることによって成形することができる。さらに、通常は、平坦な基板材上で放射体を成形したあとで、放射体素子に隣接する湾曲面を作り出すために変形する必要があるが、本発明のいくつかのアプリケーションでは、事前に湾曲したかまたは別の平坦でない形状の基板表面で放出体素子を成形することが可能である。例えば、いくつかの例では、ノズル構造を通して溶解金属を高速で排出することによって、電界放出体素子を成形することが可能で、溶解金属が排出される冷却ガス内で針状の物体を作って、針状のカラム放射体素子を製造し、次にそれらを湾曲したまたは非平面の基板上の所定の方向に埋め込んで、基板上に電界放出体配列を作り出すことができる。図１７は、本発明のもう１つの実施例による電界放出体表示パネル２１０の部分の側面の断面図である。電界放出体表示パネル２１０は、蛍光体素子２１８が中に配置されている穴２１６を持つ二次基板材２１４を含む上部表示構造２１２を内蔵する。電界放出体表示パネル２１０はさらに、表示構造２１２に対応するスペースに一次基板材２２２を含む下部放出パネル２２０を内蔵する。一次基板材の上には、基板上の電界放出体素子２２８の配列２２６を支持するメサ構造を形成する平らなカラム支持材２２４が溶着される。上部と下部の平板状の部材２１２と２２０は、互いに引き離され、蛍光体素子２１８と電界放出体素子２２８の配列２２６の間に、図１７に示すＤの間隔があくようにされる。平板部材２１２と２２０は、閉鎖されたハウジング内に既知のやり方で固定し、平板部材の間の閉鎖された内部容積２３０を決定する。この容積は、閉鎖された内部を真空状態にするために空気抜きを行うのに適したものとなる。距離Ｄは、そのため、前述の可変コンフォーメーション構造技術による電界の選択的なシェーピングとフォーカシングの間隔を決定し、電界放出体素子２２８の配列２２６が放出する電子ビームが、蛍光体素子２１８に高い強度で衝突するようにフォーカシングして、高効率のデイスプレイ構造を作り出す。図１８は、本発明の１つの実施例によるイオン放出体装置２４０の部分の側面の断面図である。この装置は、拡散基板２４２を内蔵し、拡散面２４４と接触したガスは、拡散基板を通って、放出体素子２４６に浸透し、イオンを生成する。イオンは矢印２４８が示すように、放出体素子の先端から外部方向に排出される。基板材２４２は、その上にイオンの流れをせき止めするために使用する適当な絶縁体または金属の層２５０を持つ。層２５０は、例えばアルミニウムまたはドーピングされたシリカで成形することができる。基板材２４２は、基板材の拡散面２４４と接触するガスが拡散して浸透することが可能な材料で成形できるが、この製造材料は、基板材を通って拡散して移動する気体または流体の種類により変ってくる。例えば、水素の拡散または重水素の拡散の場合は、基板材２４２に適した拡散基板材料は、パラジウムかチタンになる。そのため、イオン源構造体２４０は、拡散面２４４が適当な気体および流体源と接触し、イオン源構造体の反対側の面２５２が真空と接触するように配置することができる。イオン源構造体２４０は、イオン源構造体の電界放出体素子２４６から排出されるイオンの流れを修正し、より細かくフォーカシングするために用いる適当なゲート電極または導体グリッド（図示せず）と共に使用することができる。上で紹介した本発明の実施例に関連して、本発明の多様な実施例において、電界放出体素子への入力電力は、技術的によく知られていて、確立されている従来のやり方で供給されることが了解される。図１９は、本発明による蛍光体配列装置２６０の部分の側面の断面図である。蛍光体配列装置２６０は、基板部材２６２を内蔵する。この部材は、ガラス、セラミック、または重合材のような適当な材料で成形することができる。基板の一方の面には、蛍光体素子２６４の配列が配置され、蛍光体素子は例えば、適当な粒度分布の蛍光粒子を内包する。蛍光体素子の配列は、適当な溶着技術を用いて基板面２６６に溶着することができる。このような技術には、これらの粒子を含む浮遊物からの溶着、または機械的展開および基板材２６２への接着がある。蛍光体素子２６４の配列の上には、（１）蛍光体素子を所定の位置に維持し、（２）表示ユニットの運転中に、電子ビームが蛍光体素子に衝突するときの熱の散逸を容易にする高い熱伝導性を提供し、（３）表示ユニットの証明部分から離れたところまで電荷を移動させるのに十分な導電性を提供するために用いるダイヤモンド状の膜２６８がコーティングされる。その結果、ダイヤモンド状の膜の使用は、蛍光体粒子の移動と熱の散逸に関連するこれまでの技術の問題を克服することになる。ダイヤモンド状の膜は、例えばプラズマ溶着、高エネルギー蒸着、イオンビーム溶着などの適当なやり方で、蛍光体素子の上に溶着することができる。ダイヤモンド状の炭素の膜は、低い電子吸着断面を持つために、表示ユニットのエネルギーの損失を最小限に押さえることができることから、有効に使用される。一方、このようなダイヤモンド状の膜は、蛍光体内蔵スクリーンに使用するアルミニウムのような既存の材料の持つ利点の多くを提供する。ダイヤモンド状の膜は、従来、使用されてきたアルミニウムのコーティングほど高い光反射性を提供しないが、ダイヤモンド状の膜は、膜が適切な種類の添加物を使って適当な濃度でドーピングされるときは、コントラストを改善するブラックマトリックス効果を提供することができる。このような目的に適した添加物の種類には、窒素とホウ素が含まれ、両方とも、ダイヤモンド状の膜の色を暗くするのに大きな効果を持つ。ダイヤモンド状の膜のドーピングは既存の技術を用いて簡単に実施することができる。例えば、窒素のドーピングは、ダイヤモンド状の膜材料の溶着中にＮＦ₃ を添加して実施することができる。ダイヤモンド状の炭素質の膜は、蛍光体粒子、薄膜の蛍光体、または蛍光体粒子の層の上にコーティングされる除去可能な電気防食材の層の上に直接、溶着することができる。ニトロセルロースの電気防食層のような電気防食材の層が、微粒子の蛍光体の層に対して使用されるときは、高い電気シート伝導率を持つ連続的な層を形成する。電気防食層は、糸状加工のニトロセルロース膜のような電気防食材の膜の場合は、加熱などの化学的または物理的手段によって除去できる。ニトロセルロースの膜を約４００℃の温度まで加熱すると、ニトロセルロースは自動的に酸化し、蛍光体素子が設置される基板を滑らかにする。本発明の表示ユニットは、そのため、この膜が適切な種類の添加物でドーピングされる場合は、優れた安定性と熱伝導特性、ならびにコントラストの改善をもたらすことになる。さらに、ダイヤモンド状の炭素の膜が、基板状の蛍光体素子の配列の上に形成され、この連続した膜が、膜の溶着のあと、電子源を内蔵する装置内に表示ユニットを組込むまで、大量の空気または湿気に曝されなかった場合は、この炭素質の膜はまた、電子源と蛍光体表示プレートを内蔵する装置内の真空ゲッター効果を持つ吸着能力を提供し、全体装置の内部の汚染ガスの吸着除去を実現する。この真空ゲッター効果は、フラットパネルディスプレイのような全体装置の最終的な励起と密封の前に炭素質の膜材料を焼き固めることで一層高まる。発明の実施の最良の形態本発明の実施の方法で、高く推奨されるものは、カラム放出体構造を持つ電界放出体素子の配列を形成する方法で、このような配列は、本明細書の前の部分で記述されているように、可変抵抗基板、基板上の抵抗費、および／または可変先端構造（例、配列内の先端の寸法、形状などに変化を付ける）などを使用することにより、自動フォーカシングまたはビームシェーピング効果を生み出す構造と配置を実現する。このような電界放出体素子の配列は、例えば、本明細書の図１９の例で紹介され、記述されている種類の蛍光体配列部材を内蔵する図１６および図１７の例で紹介され、記述されているような種類の電界表示パネルにおいて有効に使用することができる。産業上の利用可能性本発明の電界放出体装置は、フラットパネルディスプレイ、陰極線管、クライストロンクロスフィールドアンプリファイア、３極管、５極管、電子顕微鏡、および電子ビームライティングツールを含む広範なアプリケーション、ならびに電界線と電子放出特性の選択的な輪郭の決定が、フォーカシングとシェーピングの選択性の高い電子ビームのコンフォーメーションを生み出すために有効に使用されるその他のアプリケーションにおいて有用性を持つ。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９６年４月２４日【補正内容】１．作動電圧が加えられたときの電子および／またはイオンビームの選択的放出のための電界放出体装置で、その上に電界放出体素子の配列を持つ基板材を内蔵し、少くとも電界放出体素子の１つと基板材が、少くとも電界放出体素子の１つと基板材が均一なコンフォーメーションを持つ同等の電界放出体装置と比較して、高い密度および／または異なった方向特性の少くとも１つの特性を持つビームを生成する可変コンフォーメーションを持ち、可変コンフォーメーションが、少くとも以下によりなる群から選択される構造的特性を含む電界放出体装置。 (ｉ) 基板材上の放出体素子の変化する密度。 (ii) 電気抵抗が変化する構成の電界放出体素子で、配列またはその小配列部分の電界放出体素子の間で変化するもの。 (iii) 基板材またはその部分の電気抵抗が変化する構成。 (iv) 基板材と少くとも配列のいくつかの電界放出体素子の間に挿入される電気抵抗が変化する材料。 (ｖ) 配列の電界放出体素子の間で高さが変化し、その配列が、縦方向に上向きに伸びるカラム電界放出体素子を内蔵するもの。 (vi) 基板材の電界放出体素子が配置されている表面の少くとも一部の形状を非平面にする。２．可変コンフォーメーションが、電気抵抗が変化する前記構造（ｉｉ）、（ｉｉｉ）または（ｉｖ）を含む請求項１による電界放出体装置。３．配列内の電界放出体素子にほとんど均等な作動電圧を入力する手段を内蔵する請求項１による電界放出体装置。４．電子ビーム出力を生成する構造と配置を持つ請求項１による電界放出体装置。５．イオンビーム出力を生成する構造と配置を持つ、請求項１による電界放出体装置。６．フラットパネルディスプレイ、陰極線管、クライストロン、クロスフィールドアンプリファイア電子ビームライティングツールからなる群から選択される請求項１による電界放出体装置。７．電界放出体素子が、アンゲーティッドカラム放出体素子を内蔵する請求項１による電界放出体装置。８．配列の電界放出体素子に低い仕事関数の材料がコーティングされている請求項１による電界放出体装置。９．高い仕事関数の材料の絶縁体が、基板材上に配置される電界放出体素子を取り囲むように基板にコーティングされいてる請求項１による電界放出体装置。 10．その上に蛍光体素子の配列が配置されている基板材を内蔵し、蛍光体素子を基板材上の所定の位置に維持するために蛍光体素子にダイヤモンド状の膜がコーティングされている電子ビームの衝突に反応して出力を生成する表示物品。 11．基板上の蛍光体素子に電気防食材の層がコーティングされ、そのあと、その上にダイヤモンド状の膜がコーティングされ、そのあと電気防食層が除去される請求項１０による表示物品。 12．電気防食材の層がニトロセルロースを含み、その前記の除去が加熱を含む請求項１０による表示物品。 13．ダイヤモンド状の膜を、ダイヤモンド状の膜の色を暗くする種類の添加物でドーピングして、表示物品の対照性を改善する請求項１０による表示物品。 14．添加物の種類が、ホウ素と窒素からなる群から選択される請求項１３による表示物品。 15．ダイヤモンド状の膜が、非不活性の大気ガスに対して吸着親和力を持つ炭素質の物質を含む請求項１０による表示物品。 16．電界放出体素子と間隔をおいた関係を持ち、電子またはイオンを受け取る関係の二次基板材を内蔵し、二次基板材の上に蛍光体素子の配列が設置され、蛍光体素子にダイヤモンド状の膜が溶着されている陽極構造体を内蔵する請求項１による電界放出体装置。 17．ダイヤモンド状の膜を、ダイヤモンド状の膜の色を暗くする種類の添加物でドーピングして、表示物品の対照性を改善する請求項１６による電界放出体装置。 18．添加物の種類が、窒素、フッ素、およびホウ素からなる群から選択される請求項１７による電界放出体装置。 19．ダイヤモンド状の膜が、非不活性の大気ガスに対して吸着親和力を持つ炭素質の物質を含む請求項１６による電界放出体装置。 20．以下を内蔵する電界放出フラットパネルディスプレイ。その上に電界放出体素子の配列が配置される基板材を内蔵し、その電界放出体素子および／または基板材が、電界放出体素子および／または基板材が均一なコンフォーメーションを持つ同等の電界放出体装置と比較して高い強度および／または異なった方向性を備えたビームを生成する可変コンフォーメーションを持つ電子ビーム源手段、および、電界放出体素子と間隔を置いた関係を持ち、電子またはイオンを受け取る関係の二次基板材を内蔵し、二次基板材の上に蛍光体素子の配列が設置され、蛍光体素子にダイヤモンド状の膜が溶着されている陽極構造体。

Claims

【特許請求の範囲】１．作動電圧が加えられたときの電子および／またはイオンビームの選択的放出のための電界放出体装置で、その上に電界放出体素子の配列を持つ基板材を内蔵し、その電界放出体素子および／または基板材が、電界放出体素子および／または基板材が均一なコンフォーメーションを持つ同等の電界放出体装置と比較して高い密度および／または異なった方向特性を持つビームを生成する可変コンフォーメーション持つことを特徴とする電界放出体装置。２．可変コンフォーメーションが、以下によりなる群から選択される請求項１による電界放出体装置。 (ｉ) 基板材上の放出体素子の変化する密度。 (ii) 電気抵抗が変化する構成の電界放出体素子で、配列またはその小配列部分の電界放出体素子の間で変化するもの。 (iii) 基板材またはその部分の電気抵抗が変化する構成。 (iv) 基板材と少くとも配列のいくつかの電界放出体素子の間に挿入される電気抵抗が変化する材料。 (ｖ) 配列の電界放出体素子の間で高さが変化する。 (vi) 配列の電界放出体素子の間で形状が変化する。 (vii) 基板材の電界放出体素子が配置されている表面の少くとも一部の形状を非平面にする。３．配列内の電界放出体素子にほとんど均等な作動電圧を入力する手段を内蔵する請求項１による電界放出体装置。４．電子ビーム出力を生成する構造と配置を持つ請求項１による電界放出体装置。５．イオンビーム出力を生成する構造と配置を持つ請求項１による電界放出体装置。６．フラットパネルディスプレイ、陰極線管、クライストロン、クロスフィールドアンプリファイア、３極管、５極管、電子顕微鏡、電子ビームライティングツールからなる群から選択される請求項１による電界放出体装置。７．電界放出体素子が、アンゲーティッドカラム放出体素子を内蔵する請求項１による電界放出体装置。８．配列の電界放出体素子に低い仕事関数の材料がコーティングされている請求項１による電界放出体装置。９．高い仕事関数の材料の絶縁体が、基板材上に配置される電界放出体素子を取り囲むように基板にコーティングされている請求項１による電界放出体装置。 10．その上に蛍光体素子の配列が配置されている基板材を内蔵し、蛍光体素子を基板材上の所定の位置に維持するために蛍光体素子にダイヤモンド状の膜がコーティングされている電子ビームの衝突に反応して出力を生成する表示物品。 11．基板上の蛍光体素子に電気防食材の層がコーティングされ、そのあと、その上にダイヤモンド状の膜がコーティングされ、そのあと電気防食層が除去される請求項１０による表示物品。 12．電気防食材の層がニトロセルロースを含み、その前記の除去が加熱を含む請求項１０による表示物品。 13．ダイヤモンド状の膜を、ダイヤモンド状の膜の色を暗くする種類の添加物でドービングして、表示物品の対照性を改善する請求項１０による表示物品。 14．添加物の種類が、ホウ素と窒素からなる群から選択される請求項１３による表示物品。 15．ダイヤモンド状の膜が、非不活性の大気ガスに対して吸着親和力を持つ炭素質の物質を含む請求項１０による表示物品。 16．電界放出体素子と間隔を置いた関係を持ち、電子またはイオンを受け取る関係の二次基板材を内蔵し、二次基板材の上に蛍光体素子の配列が配置され、蛍光体素子にダイヤモンド状の膜が溶着されている陽極構造体を内蔵する請求項１による電界放出体装置。 17．ダイヤモンド状の膜を、ダイヤモンド状の膜の色を暗くする種類の添加物でドーピングして、表示物品の対照性を改善する請求項１６による電界放出体装置。 18．添加物の種類が、窒素、フッ素、およびホウ素からなる群から選択される請求項１７による電界放出体装置。 19．ダイヤモンド状の膜が、非不活性の大気ガスに対して吸着親和力を持つ炭素質の物質を含む請求項１６による電界放出体装置。 20．以下を内蔵する電界放出フラットパネルディスプレイ。その上に電界放出体素子の配列が配置される基板材を内蔵し、その電界放出体素子および／または基板材が、電界放出体素子および／または基板材が均一なコンフォーメーションを持つ同等の電界放出体装置と比較して高い強度および／または異なった方向性を備えたビームを生成する可変コンフォーメーションを持つ電子ビーム源手段、および、電界放出体素子と間隔を置いた関係を持ち、電子またはイオンを受け取る関係の二次基板材を内蔵し、二次基板材の上に蛍光体素子の配列が設置され、蛍光体素子にダイヤモンド状の膜が溶着されている陽極構造体。