电子发射元件、电子源、图象显示装置、以及它们的制造方法

专利名称：电子发射元件、电子源、图象显示装置、以及它们的制造方法
技术领域：
本发明涉及电子发射元件、电子源、图象显示装置、以及它们的制造方法。
背景技术：
在现有技术中，作为电子发射元件已知有大致区分的使用热阴极电子发射元件和冷阴极电子发射元件的2种。在冷阴极电子发射元件中有电场发射型(以下，称为“FE型”)、金属/绝缘层/金属型(以下称为“MIM”型)和表面传导型电子发射元件等。
作为FE型的例子，有在W.P.Dyke & W.W.Dolan，“Fieldemission”，Advance in Electoron Physics，8，89(1956)或者C.A.Spindt，“PHYSICAL Properties of thin-film field emission cathodeswith molybdenium cones”，J.Appl.Phys.，47，5248(1976)，特开平3-46729号公报等中公开的例子。
作为MIM型的例子，有在C.A.Mead，“Operation ofTunnel-Emission Devices”，J.Apply.Phys.，32，646(1961)等中公开的例子。
作为表面传导型电子发射元件的例子，有M.I.Elinson在RedioEng.Electron Phys.，10，1290，(1965)，以及特开平7-235255号公报、特开平8-102247号公报、特开平8-273523号公报、特开平9-102267号公报、特许第2836015号、特许第2903295号公报，特开2000-231872号公报等中公开的例子。
表面传导型电子发射元件，是利用通过在基板上形成的小面积的薄膜上、使电流与膜面平行地流过、产生电子发射的现象而形成的。作为该表面传导型电子发射元件，已知的有上述Elinson等人采用的SnO2薄膜的元件、采用Au薄膜的元件[G.Dittmer“Thin SolidFilms”，9，317(1972)]、采用In2O3/SnO2薄膜的元件[M.Hartwelland C.G.Fonstad“IEEE Trans.EDConf.”519(1975)]，以及采用碳薄膜的元件[荒木久他真空，第26卷，第1号，22页(1983)]等。
如果使用形成有多个如上述那样的电子发射元件的电子源基板，则通过和由荧光体等构成的图象形成部件组合，则可以构成图象形成装置。
但是，在上述的表面传导型电子发射元件中，不一定能得到满足电子发射特性以及电子发射效率稳定的元件，在现实中使用它提供高亮度、动作稳定性优异的图象形成装置是极其困难的。
因而，例如，如特开平7-235255号公报、特开平8-264112号公报、特开平8-321254号公报所示，有对“成形加工工序”完成后的元件实施被称为“活性化工序”的处理的情况。所谓“活性化工序”，是通过该工序使元件电流If、发射电流Ie显著变化的工序。
“活性化工序”，可以在含有有机物质的气体氛围下，和“成形加工工序”一样，通过在元件上反复施加脉冲电压来进行。通过该处理，从存在于气体氛围中的有机物质中，在由“成形加工工序”形成的间隙内以及间隙附近堆积碳或者碳化合物。由此，元件电流If、发射电流Ie显著变化，可以得到更好的电子发射特性。
另外，例如在特开平8-321254号公报等中公开了用和上述公报中记载的“活性化工序”不同的方法提高电子发射特性的工艺。
图40示意地展示了上述公报等中所示的“活性化工序”所形成的表面传导型电子发射元件的结构。图40(A)以及图40(B)分别是在上述公报等中公开的上述电子发射元件的平面图以及断面图。
在图40中，131是基板，132、133是相对的一对电极(元件电极)，134是导电性膜，135是第2间隙，136是碳膜，137是第1间隙。
图41模式化地展示了图40所示结构的电子发射元件的制造工序的一例。
首先，在基板131上形成一对电极132、133(图41(A))。
接着，形成连接电极132、133之间的导电性膜134(图41(B))。
而后，使电流流过电极132、133之间，进行在导电性膜134的一部分上形成第2间隙135的“成形加工工序”(图41(C))。
进而，在碳化合物气体氛围中，在上述电极132、133之间施加电压，进行在第2间隙135内的基板131上，以及在其附近的导电膜134上形成碳膜136的“活性化工序”，形成电子发射元件(图41(D))。
另一方面，在特开平9-237571号公报上揭示了一种电子发射元件的制造方法。该方法不用通过在包含有机物质的气体氛围下、在元件电流间反复施加脉冲电压而在元件上堆积碳和/或碳化合物的上述活化工序，而是由在导电性膜上涂布热硬化树脂等的材料的工序以及对其进行碳化的工序组成。
但是，在现有的元件中存在以下两大问题。
1)在使用导电膜的情况下，不容易高精度地形成膜厚度、膜材质，在形成如平面显示板那样的多个电子发射元件的情况下，成为使均匀性下降的主要原因。
2)为了形成具有良好的电子发射特性的窄的间隙，要有形成含有有机物质的气体氛围的工序、在导电性膜上高精度地形成高分子的工序等，附加的工序多，工序管理也复杂化了。
进而，为了使显示稳定，应用了多个电子发射元件的图象形成装置需要使各个电子发射元件的电子发射特性一致，但在现有的表面传导型电子发射元件中具有以下的问题。
表面传导型电子发射元件的电子发射部分通过“成形加工工序”(以及“活性化工序”)形成，形成电子发射部分的位置有时不一样。
可是，在由多个电子发射元件组成的电子源中，当对于各个电子发射元件在各个不同位置上形成电子发射部分的情况下，如果在这些元件上施加同一极性的电压，则有发生电子发射量显著不均匀的情况。在使用这样的电子源的图象显示装置中，会产生亮度不均匀的情况。
因而，希望使用在一定的位置上形成电子发射部分的电子发射元件，但是过去，在简单地控制电子发射部分的形成位置方面是不够充分的。
另外，在上述现有的元件中，通过在“成形加工工序”以外加上进行“活性化工序”等，在由“成形加工工序”形成的第2间隙135的内部，配置具有更窄的第1间隙137的、由碳或者碳化合物组成的碳膜136，得到良好电子发射特性。
但是，在制造使用这种现有的电子发射元件的图象形成装置的时，具有以下的问题。
在“成形加工工序”和“活性化工序”中有反复的通电工序和在各工序中形成适宜的气体氛围的工序等较多的附加工序，各工序的管理复杂化。
另外，当把上述电子发射元件用于显示器等的图象形成装置的情况下，为了降低装置的耗电也希望进一步提高电子发射特性。
因而，本发明就是为了解决上述课题而提出的，提供了一种尤其可以简化电子发射元件的制造工序、并且可以改善电子发射特性的电子发射元件的制造方法、电子源的制造方法，以及图象形成装置的制造方法。

发明内容
本发明为了解决上述的课题进行不断深入研究。
本发明的一种形态的电子发射元件的特征在于包含，在基体表面上隔开配置的第1以及第2电极；被配置在上述第1以及第2电极之间的上述基体表面上、并与上述第2电极连接的碳膜；配置在与上述第2电极连接的碳膜和上述第1电极之间的间隙，
在上述间隙中，上述碳膜的表面和上述第1电极的表面的间隔，从上述基体表面开始向上方变窄，并在上述间隙内至少露出上述第1电极的表面的一部分。
此外，其特征在于在上述第1电极上配置碳膜。这种情况下，其特征在于在上述间隙内还设置上述第1电极和被配置在上述第1电极上的碳膜的界面。这种情况下，其特征还在于通过上述第1电极和第2电极，在相对上述基体表面实际上垂直的平面上，上述第1电极上的上述碳膜距离上述基体表面的高度比与上述第2电极连接的碳膜距离上述基体表面的高度要高。
本发明的这一种形态的特征还在于在上述间隙的至少一部分中，与上述第2电极连接的碳膜和上述第1电极互相相对。
本发明的另一形态的电子发射元件具有被配置在基体表面上的第1以及第2电极；被配置在上述第1电极和第2电极之间的上述基体表面上的碳膜，其一端覆盖上述第1电极的一部分，另一端覆盖上述第2电极的一部分，并具有间隙，其特征在于在上述间隙内露出上述第1电极的表面，上述间隙的宽度从上述基体表面开始、在离开基体表面的上方变窄。
另外，上述碳膜和上述第1电极在上述间隙的至少一部分上互相相对。进而，位于上述第1电极上的上述碳膜的一部分与上述第1电极的界面被配置在上述间隙内。
本发明的又一形态的电子发射元件的特征在于在基体表面上具有隔开配置的第1以及第2电极；被配置在上述第1电极和第2电极之间的上述基体表面上的碳膜，其一端覆盖上述第2电极的一部分；由上述碳膜的另一端部、上述第1电极至少限定出其一部分的间隙。
另外，其特征在于上述碳膜的另一端部与上述第1电极之间的间隔，从上述基体表面开始，在离开基体表面的上方变窄。而且，在上述第1电极上配置碳膜。
另外，其特征在于在通过上述第1电极和第2电极、相对上述基体表面实际上垂直的平面上，上述第1电极上的碳膜距离上述基体表面的高度，比覆盖上述第2电极的一部分、被配置在上述第1电极和上述第2电极之间的上述基体表面上的碳膜距离上述基体表面的高度要高。
进而，其特征在于与上述第2电极连接的第2碳膜和上述第1电极在上述间隙的至少一部分上互相相对。
本发明的又一形态的电子发射元件，其特征在于具有被配置在基体表面上的第1以及第2电极；被配置在上述第1电极和第2电极之间的上述基体表面上的、其一端部覆盖上述第1电极的一部分、另一端部覆盖上述第2电极的一部分并具有间隙的碳膜，在上述间隙内露出上述第1电极的表面。
另外，其特征在于在上述间隙内露出被配置在上述第1电极上的上述碳膜的一部分和上述第1电极的界面。
本发明的再一形态的电子发射元件具有被配置在基体表面上的第1以及第2电极；被配置在上述第1电极和第2电极之间的上述基体表面上、其一端部覆盖上述第2电极的一部分的碳膜，以及上述碳膜的另一端部和上述第1电极隔着空隙相互面对。
另外，其特征在于上述碳膜的另一端部从上述基板表面上离开。另外的特征在于在上述第1电极上配置碳膜。还有特征在于在通过上述第1电极和第2电极、相对上述基体表面实际上垂直的平面上，上述第1电极上的碳膜距离基体表面的高度比覆盖上述第2电极的一部分、被配置在上述第1电极和上述第2电极之间的上述基体表面上的碳膜距离上述基体表面的高度要高。
这些本发明的电子发射元件，作为更理想的特征包含“位于上述间隙内的上述基体表面的至少一部分是凹状”，“在上述间隙上配置有多个电子发射部分(也称为“电子发射点”或者“电子发射部分位”)”，“通过在上述第1电极和上述第2电极之间施加电压，对应被施加在上述第1电极和第2电极之间的电场的方向显示非对称的电子发射特性”。
“在上述第1电极和上述第2电极的连接方向上的，上述间隙的宽度在50nm以下”，“在上述第1电极和上述第2电极的连接方向上的，上述间隙的宽度在10nm以下”，“在上述第1电极和上述第2电极的连接方向上的，上述间隙的宽度在5nm以下”。
本发明的电子发射元件的制造方法的特征在于包括下列步骤在基体上配置一对电极和连接该电极间的高分子膜；低电阻化处理上述高分子膜；在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙；通过在经由上述一对电极、使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜时，使在一个电极端部附近产生的焦耳热比在另一个电极的端部附近产生的焦耳热高的方法形成上述间隙。
本发明的又一电子发射元件的制造方法的特征在于包括下列步骤在基体上形成一对电极和连接该电极间的高分子膜，使得上述一对电极中的一个电极和上述高分子膜的接触电阻与上述一对电极中的另一电极和上述高分子膜的接触电阻不同；低电阻化处理上述高分子膜；在通过低电阻化处理上述高分子膜得到膜上形成间隙，上述间隙是通过经由上述一对电极、使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
本发明的再一电子发射元件的制造方法的特征在于包括下列步骤在基体上配置一对电极和通过覆盖该一对电极各自的一部分连接该一对电极间的高分子膜；低电阻化处理上述高分子膜；
在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，以及在上述高分子膜形成阶梯状覆盖，使得覆盖上述一对电极中的一个电极的一部分的那部分阶梯状覆盖层与在上述高分子膜覆盖上述一对电极中的另一个电极的一部分的那部分阶梯状覆盖层不同，其中，上述间隙是通过经由上述一对电极，使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
本发明的又一电子发射元件的制造方法的特征在于包括下列步骤在上述基体上配置一对电极和连接该电极间的高分子膜，使得由上述一对电极中的一个电极和上述高分子膜构成的形状和用上述一对电极中的另一个电极和上述高分子膜构成的形状不同；低电阻化处理上述高分子膜；在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，上述间隙是通过经由上述一对电极、使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
本发明的再一电子发射元件的制造方法的特征在于包括下列步骤在基体上形成相互形状不同的一对电极和连接该对电极间的高分子膜；低电阻化处理上述高分子膜；在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，上述间隙是通过经由上述一对电极、使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
本发明上述的电子发射元件的制造方法中更理想的特征还包含“上述一对电极以相互不同大小形成”；“上述一对电极形成为相互厚度不同”；“上述一对电极，形成为上述一对电极中的一个电极的侧面和上述基体面所成的角度与上述一对电极中的另一电极的侧面和上述基体面所成的角度不同”。
本发明的又一电子发射元件的制造方法的特征在于包括下列步骤在基体上配置材料相互不同的一对电极和连接该电极间的高分子膜；低电阻化处理上述高分子膜；在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，上述间隙是通过经由上述一对电极、使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
本发明的又一电子发射元件的制造方法的特征在于包括下列步骤在基体上配置表面能量相互不同的一对电极；配置连接被配置在上述基体上的上述一对电极间的高分子膜；低电阻化处理上述高分子膜；在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，以及通过把构成该高分子膜的高分子的溶液或者其母液涂布在上述基体上并加热被涂布有该溶液的上述基体、形成连接上述电极间的高分子膜，其中，上述间隙是通过经由上述一对电极、使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
上述又一电子发射元件的制造方法的特征在于包括下列步骤在基体上配置组成相互不同的一对电极；形成连接被配置在上述基体上的上述一对电极间的高分子膜；低电阻化处理上述高分子膜的工序；在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，以及通过把构成该高分子膜的高分子的溶液或者其母液涂布在上述基体上并加热被涂布有该溶液的上述基体形成连接上述电极间的高分子膜，其中，上述间隙是通过经由上述一对电极、使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
本发明上述的电子发射元件的制造方法中更理想的特征还包含“上述一对电极是通过在实际上由同样材料构成的一对导电性部件中的一个中，添加和上述导电性部件不同的材料形成的”，“通过下列方法形成上述一对电极连接实际上由同样材料构成的一对导电部件中的至少一个和由标准电极电位比构成上述导电性部件的材料低的材料组成的部件，至少加热由标准电极电位比构成上述导电性部件的材料低的材料构成的部件”。
本发明的再一电子发射元件的制造方法的特征在于包括下列步骤在基体上配置一对电极和连接该电极间的高分子膜，使得上述一对电极中的一个电极与上述高分子膜的连接长度和上述一对电极中的另一个电极与上述高分子膜的连接长度不同；低电阻化处理上述高分子膜；在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，上述间隙是通过经由上述一对电极、使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
本发明上述的电子发射元件的制造方法中更理想的特征还包含“上述连接长度是在上述一对电极的端部上、上述高分子和上述各个电极连接的长度”，“上述连接长度是通过上述一对电极中的每一个和上述高分子膜以及上述基体连接形成的部分的长度”。
本发明的又一电子发射元件的制造方法，其特征在于包含下列步骤在基体上配置一对电极和连接该一对电极间的高分子膜；低电阻化处理，使得上述高分子膜在接近上述一对电极中一个电极的区域比接近另一电极的区域电阻低；通过使电流流过在上述高分子膜上实施低电阻化处理得到的膜，在其一部分上形成间隙。
本发明上述的电子发射元件的制造方法中更理想的特征还包含
“上述低电阻化处理步骤，包含将上述一对电极中的一个电极加热到比另一个电极的温度高的工序”；“上述低电阻化处理步骤包含对上述高分子膜照射电子、光、离子的至少一种的工序”；“上述基体由光透过性材料组成，使上述光透过上述基体照射在上述一个电极上”；“上述低电阻化处理步骤包含对上述高分子膜照射电子、光、离子的至少一种的工序”；“通过使电流流过在上述高分子膜上实施低电阻化处理得到的膜，同时进行在其一部分上形成间隙的步骤和上述低电阻化处理步骤”。
在这些本发明的电子发射元件的制造方法中可以列举以下各种理想的形态“上述一对电极形成为相互大小不同”；“上述一对电极形成为相互厚度不同”，“上述一对电极形成为上述一对电极中的一个电极的侧面与上述基体面所成的角度和上述一对电极中的另一电极的侧面与上述基体面所成的角度不同”；“上述一对电极是通过在实际上由相同材料形成的一对导电性部件中的一个中添加和上述导电性部件不同的材料形成的”；“上述一对电极是通过下列方法形成的连接实际上由同样材料形成的一对导电部件中的至少一个和由标准电极电位比构成上述导电性部件的材料低的材料组成的部件，至少加热与构成上述导电性部件的材料相比其标准电极电位更低的材料构成的部件”；“上述连接长度是上述高分子在上述一对电极的端部和上述各个电极的连接的长度”；“上述连接长度是上述一对电极的每一个与上述高分子膜和上述基体连接形成的部分的长度”；“形成上述高分子膜的步骤，是通过使用喷射法，给予构成上述高分子膜的高分子溶液，或者构成上述高分子膜的高分子的母液进行的”；“上述溶液，是从上述一对电极的间隙中心偏离给予的”；“低电阻化上述高分子膜的步骤，是通过向被配置在上述电极间的上述高分子膜照射粒子束或者光进行的”；“上述粒子束是电子束”；“上述粒子束是离子束”；“上述光是激光束”。
本发明电子源的特征在于在基体上配置多个本发明上述的电子发射元件。
另外，本发明的电子源的制造方法是具有多个电子发射元件的电子源的制造方法，该电子发射元件通过本发明上述的电子发射元件的制造方法制造。
另外，本发明的图象显示装置的特征在于具有本发明上述的电子源和发光部件。
另外，本发明的图象显示装置的制造方法是具备具有多个电子发射元件的电子源和发光部件的图象显示装置的制造方法，其特征在于该电子源由本发明上述的电子源的制造方法制造。
本发明上述的电子发射元件的另一形态是以把上述一对电极中的一个作为共用电极，并列配置2个电子发射元件为特征的电子发射元件，本发明包括以在基体上配置多个这样的电子发射元件为特征的电子源，还包括以具有这样的电子源、发光部件为特征的图象显示装置。
在本发明的电子发射元件中，在一定的位置上形成成为电子发射部分的间隙，可以重现性好地制造电子发射特性优异的电子发射元件。
如果采用本发明，则与需要形成导电性膜的工序、在该导电性膜上形成间隙的工序、形成包含有机化合物的气体氛围的工序(或者，在导电性膜上形成高分子膜的工序)、在通过对导电性膜通电形成碳膜的同时，在该碳膜上形成间隙的工序的现有的制造方法相比，可以大幅度简化其制造工序。
而且，采用本发明可以把形成在碳膜上的间隙有选择地形成在一个电极的附近。因此，可以一致性好并且稳定地制造电子发射部分。
用本发明制造的电子发射元件，因为耐热性也很好，所以还可以谋求提高现有受导电性膜性能限制的电子发射特性。
另外，用本发明制造的电子发射元件，其电子发射率高，在用于显示器等的图象形成装置的情况下，可以降低装置的耗电。
进而，用本发明制造的电子发射元件，因为可以一致地并且控制良好地制造电子发射部分，所以在用于显示器等的图象形成装置的情况下，画面内的均匀性高，并且，可以抑制各装置间的离散。
另外，在本发明的电子发射元件中的导电特性，对应于施加电压的极性呈现明显的非对称。即，当在接近间隙一侧的电极上施加正电压时，在与其相反的极性的情况相比时，以同样电压(约20V)比较，可流过10倍以上的电流。
这时，电压-电流特性显示为在高电场下的隧道传导型。另外，在元件上配置阳极电极，例如把元件和阳极电极间距离设置为2mm，把阳极电压设置在1kV，可以得到1％以上的高的电子发射效率。其效率是现有的表面传导型电子发射元件的电子发射效率的数倍。
可以得到非对称电子发射特性以及高的电子发射效率的原因在当前的技术中还不明确，但和在非对称的电子发射部分中引起电子发射有关，其原因之一是，当把接近间隙的电极一侧的电位设定得比另一方电极的电位高来进行驱动的情况下，可以得到更多的电子发射点。


图1是展示本发明的电子发射元件一例的示意图。
图2是展示本发明的电子发射元件制造方法的一例的示意图。
图3是展示本发明的电子发射元件制造方法的一例的示意图。
图4是展示本发明的电子发射元件的另一例的示意图。
图5是展示本发明的电子发射元件的另一例的示意图。
图6是展示本发明的电子发射元件制造方法的另一例的示意图。
图7是展示本发明的电子发射元件制造方法的另一例的示意图。
图8是展示本发明的电子发射元件制造方法的另一例的示意图。
图9是展示本发明的电子发射元件制造方法的另一例的示意图。
图10是展示本发明的电子发射元件的另一例的示意图。
图11是展示本发明的电子发射元件的电传导特性分布例子的示意图。
图12是展示具备测定评价功能的真空装置一例的示意图。
图13是展示本发明的电子发射元件的电子发射特性的示意图。
图14是展示本发明的单纯矩阵配置的电子源的制造工序的一例的示意图。
图15是展示本发明的单纯矩阵配置的图象显示装置的显示板一例的示意图。
图16是展示用本发明制造的电子发射元件的一例的平面示意图以及断面示意图。
图17是展示本发明的电子发射元件的制造方法一例的断面示意图。
图18是展示用本发明制造的电子发射元件的另一例的断面示意图。
图19是展示本发明的单纯矩阵配置的电子源制造工序一例的示意图。
图20是展示本发明的单纯矩阵配置的电子源制造工序一例的示意图。
图21是展示本发明的单纯矩阵配置的电子源制造工序一例的示意图。
图22是展示本发明的单纯矩阵配置的电子源制造工序一例的示意图。
图23是展示本发明的单纯矩阵配置的电子源制造工序一例的示意图。
图24是展示本发明的单纯矩阵配置的电子源制造工序一例的示意图。
图25是展示本发明的单纯矩阵配置的电子源制造工序一例的示意图。
图26是展示用本发明制造的图象形成装置的一例的透视示意图。
图27是展示本发明的图象形成装置的制造工序的一例的示意图。
图28是展示本发明的另一实施方式中的电子发射元件的构造的示意图。
图29是图28所示的电子发射元件的制造工序的示意图。
图30是本发明的单纯矩阵配置的电子源制造工序一例的示意图。
图31是展示本发明的单纯矩阵配置的电子源的示意图。
图32是展示本发明的电子发射元件的另一制造工序的示意图。
图33是本发明的单纯矩阵配置的电子源制造工序一例的示意图。
图34是本发明的单纯矩阵配置的电子源制造工序一例的示意图。
图35是展示本发明的单纯矩阵配置的电子源的示意图。
图36是展示本发明的电子发射元件的另一制造工序的示意图。
图37是本发明的单纯矩阵配置的电子源制造工序一例的示意图。
图38是展示本发明的单纯矩阵配置的电子源的示意图。
图39是展示本发明的元件电极的配置的示意图。
图40是现有的电子发射元件的示意图。
图41是现有的电子发射元件的制造工序的示意图。
具体实施例方式
以下，参照

本发明的实施例，但本发明并未局限于这些实施例。
图1是本发明的电子发射元件的一构成例子的示意图，(a)是平面图，(b)是通过电极2、3之间，相对配置有电极2、3的基体1的表面实际上垂直的平面(断面)图。
在图1中，1是基体，2和3是电极，4’是碳膜，5是间隙。6是碳膜和基体之间的空隙，构成间隙5的一部分。
上述碳膜4’，可以是“以碳为主要成份的导电性膜”，也可以是“在局部具有间隙、以电连接一对电极间的碳为主要成份的导电性膜”，或者“以一对碳为主要成份的导电性膜”。另外，也可以只是“导电性膜”。另外，根据和后述的本发明制造工序的关系，还有被称为“通过对高分子膜低电阻化处理得到的膜”的情况。
在此，本发明的电子发射元件的基本的制造工序，可以按以下的(a)～(d)各工序的顺序进行。
(a)在基板1上形成电极2、电极3。
(b)形成连接电极2和电极3的高分子膜4。
(c)对高分子膜4实施“低电阻化处理”。
(d)通过使电流流过电极2和电极3之间(实施“电压施加工序”)，在通过对高分子膜4实施“低电阻化处理”得到的膜4’的局部上形成间隙5。
在上述那样构成的电子发射元件中，在间隙5上施加了充分的电场时，电子在间隙5中产生隧道效应，电流在电极2、3之间流过。该隧道电子的一部分变为发射电子。
理想的是碳膜4’整个面都具有导电性，但也不是必须全部具有导电性。这是因为如果该膜4’是绝缘体，则即使在电极2、3之间加有电位差，间隙5上也没有电场，就不能发射电子的缘故。碳膜4’理想的是，至少电极2(以及电极3)和间隙5之间的区域，具有导电性，通过设置成这种结构，可以在间隙5上加上足够的电场。
在本发明的电子发射元件中，间隙5被配置在偏向一个电极的附近。而且，如图1(b)、图4、图5、图7(b)、图16(b)、图28等所示，理想的是在间隙5内的至少一部分中露出(存在)电极2的表面。换句话，也可以说是在间隙5内与电极3连接的碳膜(导电性膜)4’和电极2(电极2的表面的一部分)处于相对的形态。或者，也可以说是间隙5的至少一部分是由与电极3连接的碳膜(导电性膜)4’、电极2(电极2的表面的一部分)和基体1构成的形态。另外，上述“间隙”也可以称为“空隙”。
此外，所谓本发明的上述“露出”，当然包含电极2的表面完全露出的情况，但并不排除在电极2的表面上存在着不纯物和气体氛围中的气体吸附物等存在或者附着(吸附)的状态。另外，可以推测间隙5是由在后述的“电压施加工序”时，通过热变形和热应变等相互作用在电极和碳膜和基板之间形成的。因此，在本发明中，在经过“电压施加工序”后的间隙5内，即使是在“电压施加工序”前与电极2表面接触的碳膜等的残渣只附着了一点在电极2的表面上的状态，也相当于上述“露出”。另外，至少，在断面TEM照片和SEM照片中，如果未确认在间隙5内的电极2表面存在明显的覆膜，则该状态也相当于本发明中的“露出”。
间隙5如果被形成在一个电极附近，则可以使电子发射元件的导电特性(电子发射特性)，相对于施加在电极2、3之间的施加电压的极性呈现显著的非对称。如果将用正极性施加电压的情况(使电极2的电位比电极3的电位高的情况)，和用反极性施加电压的情况相比较，则在比较例如分别施加20V电压的情况时，在电流值上产生10倍以上的差。这时，本发明的电子发射元件的电压-电流特性显示为在高电场下的隧道传导型。
因此，如图15和图25、图26、图31、图35、图38等所示的那样，将本发明的电子发射元件配置成矩阵形状，使各个电子发射元件与施加扫描信号的扫描配线63、以及与扫描配线正交并与扫描信号同步地施加调制信号的信号配线62相连接，当在扫描配线63上顺序施加扫描信号、依线的顺序驱动的情况下，即使因某种原因在电子发射元件上施加和用于电子发射的正偏置相反的偏置时，也可以抑制不需要的电子发射。其结果，在显示器等中，因为可以抑制显示中的不需要的发光，所以可以形成对比度优异的显示器。
另外，在本发明上述的电子发射元件中，可以得到非常高的电子发射效率。在测定该电子发射效率时，在元件上配置阳极电极进行驱动，使得接近间隙5一侧的电极2相对电极3成为高电位。于是，可以得到非常高的电子发射效率。如果把流过电极2、3之间的元件电流If，和被阳极电极捕捉到的发射电流Ie的比(Ie/If)定义为电子发射效率，则该值是现有的表面传导型电子发射元件的数倍。
如上所述，在本发明的电子发射元件中，把间隙5配置在一个电极附近是重要的。以下叙述把间隙5有选择地形成在一个电极附近的方法。
如上所述，间隙5通过进行在对高分子膜4施加“低电阻化处理”得到的膜4’上施加电压(流过电流)的“电压施加工序”形成。由于把用施加“低电阻化处理”得到的膜和电极2构成的连接形态，和用施加“低电阻化处理”得到的膜和电极3构成的连接形态设置成非对称，因而可以把间隙5有选择地配置在一方的电极端部(边沿)附近。
这可以在用“电压施加工序”形成间隙5时通过控制焦耳热量实现，即，控制在一方的电极端部(边沿)附近产生的焦耳热量比在另一方的电极的端部(边沿)附近产生的焦耳热量高。
以下为几个在“电压施加工序”中、把在电极2附近产生的焦耳热和在电极3附近产生的焦耳热设置成非对称的方法。
(1)把通过“低电阻化处理”高分子膜4得到的膜4’和电极2的连接电阻或者阶梯状覆盖层，和通过“低电阻化处理”高分子膜得到的膜4’和电极3的连接电阻或者阶梯状覆盖层设置成非对称。
(2)在通过“低电阻化处理”高分子膜4得到的膜4’和电极2连接的区域附近以及通过“低电阻化处理”高分子膜4得到的膜4’和电极3连接的区域附近，通过设计使得其热扩散的程度不同。
(3)在电极的形状是非对称时，采用高分子膜4的成膜方法可以在高分子膜形成时使膜厚度分布产生坡度。这种情况下，即使对高分子膜4进行“低电阻化处理”，也可以使其具有电阻值的倾斜分布。
(4)如果把电极2和通过“低电阻化处理”得到的膜4’的连接长度，与电极3和通过“低电阻化处理”得到的膜4’的连接长度设置成非对称，则可以在“电压施加工序”时加大连接长度短的一方的电流密度。
因而，如果使用上述的方法，则可以在“电压施加工序”中把在第1电极附近产生的焦耳热和在第2电极附近产生的焦耳热设置成不同。其结果，可以有选择地在一方的电极附近形成间隙5。在上述的“电压施加工序”中，虽然在第1电极附近产生的焦耳热和在第2电极附近产生的焦耳热的差越大越好，但如果考虑实际的工艺，则把焦耳热大的一方设定为焦耳热小的一方的1.1倍以上，理想的是1.5倍以上，最好是1.7倍以上。
控制上述焦耳热的更具体的方法之一可以举出的例子是，在把用第1电极和高分子膜(或者通过“低电阻化处理”高分子膜4得到的膜4’)构成的连接形态与用第2电极和高分子膜(或者通过“低电阻化处理”高分子膜4得到的膜4’)构成的连接状态设置成非对称之后，通过实施“电压施加工序”，有选择地在一方的电极附近配置间隙。
另外，例如，如图16和图18等所示，通过把电极2的形状(厚度和大小)和电极3的形状(厚度和大小)设置成相互不同，可以实现上述的连接形态的非对称性。
或者，电极2和电极3的形状实际上设置成相同，通过把电极2附近的高分子膜4(或者通过“低电阻化处理”高分子膜4得到的膜4’)的形状和电极3附近的高分子膜4(或者通过“低电阻化处理”高分子膜4得到的膜4’)的形状设置成不同，也可以实现上述的连接形态的非对称性。例如，如图28等所示，此方法可以通过把电极2和高分子膜4(或者通过“低电阻化处理”高分子膜4得到的膜4’)的连接长度与电极3和高分子膜4(或者通过“低电阻化处理”高分子膜4得到的膜4’)的连接长度设置成不同来实现。作为这样使“连接长度”不同的方法的另一例子，如后面详细叙述的那样，例如如图36等所示，还可以采用下列方法准备表面能量不同的电极2和电极3，通过用液体涂布法形成高分子膜，使高分子膜和电极2、3的各自的“连接长度”不同。
本发明中的所谓的“连接长度”是指，“在电极(2，3)的端部(边沿)，高分子膜4(或者“低电阻化处理”高分子膜4得到的膜4’)和电极(2，3)接触的长度”。或者，所谓“连接长度”，也可以说是“通过电极(2，3)、高分子膜4(或者通过“低电阻化处理”高分子膜4得到的膜4’)，以及基体1连接形成那部分的长度”。在此所说的“电极的端部”是指和图16所示的“电极端部”同样的部分。
进而，在本发明中，即使在使电极2的形状和电极3的形状不同的同时，使高分子膜4(或者通过“低电阻化处理”高分子膜4得到的膜4’)和电极(2，3)连接的长度(连接长度)不同，也可以实现上述连接形态的非对称性。
或者，作为具体地实现本发明上述思想的方法的另一例子，例如可以举出以下方法在上述“低电阻化处理”中，采用使在一个电极附近的高分子膜4的“低电阻化”的程度和在另一个电极附近的高分子膜4的“低电阻化”的程度间存在差异的方法，实现上述的连接形态的非对称性。
上述的连接形态的非对称性，也可以通过采用使电极2和高分子膜4(或者通过“低电阻化处理”高分子膜4得到的膜4’)的接触电阻与电极3和高分子膜4(或者通过“低电阻化处理”高分子膜4得到的膜4’)的接触电阻不同的方法实现。
另外，上述的连接形态的非对称性，例如，也可以通过让一对电极2、3的材料(或者成分)相互不同，从而使一个电极的热传导性(热传导率)和另一电极的热传导性(热传导率)不同来实现。
以下，参照图2、图3、图16、图17、图18、图28、图29、图32、图36等，更具体地说明本发明的电子发射元件的一连串的制造工序的例子。
(1)用洗涤剂、纯水以及有机溶剂等充分清洗由玻璃等组成的基板(基体)1，在用真空蒸镀法、阴极溅镀法等沉积电极材料后，例如用光刻技术在基体1上形成电极2、3(图2(a))。作为基体1的材料，在后述的“低电阻化处理”时从基体背面进行光照射的情况等中，最好使用玻璃等透明的基体。基体1只要是基本上绝缘的基体即可。电极2和电极3的间隔，理想的是1μm以上、100μm以下。
在此，作为电极材料，可以使用由电阻率低的材料构成的膜。而且，特别是作为把图1所示的间隙5配置在附近的电极2的材料，是和后述的“低电阻化处理”以及用于形成间隙5的“电压施加工序”完成后的碳膜4’不同的材料。而且，理想的是电极2用电阻率比碳膜4’低的材料构成。即，在图1(b)中，作为电极2的材料，理想的是选择在与基体1表面垂直的方向(电极2和碳膜4’的层叠方向)上，与电极2连接的碳膜4’的电阻率比电极2的电阻率高。因此，作为电极2的材料，具体地说理想的是使用金属或者以金属为主要成份的材料。
进而，在图2所示的工序中，实际上把电极2和电极3的形状设置成同一形状。但是，在本发明中，如上所述，也有如图16、18等所示的通过形成形状不同的电极2和电极3，控制由“电压施加工序”形成的间隙5的位置的方法。
在形成形状不同的电极2和电极3的情况下，例如有，首先以同样的厚度形成电极2、3，之后遮蔽一方的电极(在图16中是电极2)、只使另一方的电极进一步加厚的方法。由此，可以使厚度增加后的电极的热传导性比另一方的电极的热传导性提高。其结果，由后述的“电压施加工序”形成的间隙5可以配置在厚度薄的电极附近。
另外，在形成图18等所示形态的电极的情况下，例如，可以通过提升一方的电极图案，蚀刻另一方的电极来形成。这样，就可以把一方的电极2的侧面和基体1的表面所成的角度θ1与另一电极3的侧面和基体1的表面所成的角度θ2做成不同的角度。
在采用以图28等所示的高分子膜4(或者，通过在高分子膜4上实施后述的“低电阻化处理”得到的膜4’)的形状、控制间隙5的位置的方法的情况下，在本工序中，不一定要实行把上述的电极2的形状和电极3的形状设置成非对称的工序。
另外，虽然后面详细叙述，但如图36等所示，也有通过把电极2的表面能量和电极3的表面能量设置得不同，把间隙5配置在某个电极的附近的方法。这种情况下，不一定要实行把电极2和电极3的形状设置成非对称的工序。
而且，使上述的表面能量不同的情况可以使用各种方法，从中举以下2个方法。作为第1个方法，例如用相同的材料形成电极2和电极3，其后，实施使电极2的表面能量和电极3的表面能量不同的“表面能量的调整工序”的方法。作为第2个方法，有使构成电极2的材料和电极3的材料不同的方法。
此外，上述“表面能量的调整工序”在本工序内，或者在本工序和作为下一工序的高分子膜4的形成工序之间进行。
作为使电极2和电极3的各表面能量不同的具体方法，可以使用各种方法，但例如可以使用以下等方法，即，在用同一材料形成电极2和电极3后，遮盖一方的电极后再进行碱洗的方法；在用同一材料形成电极2和电极3后，遮盖住一电极后，再放置在有机气体氛围中一定时间的方法；在用同一材料形成电极2和电极3后，向一方的电极添加(注入等)搀杂某一材料的方法；从开始就用不同的材料形成电极2和电极3的方法。
(2)然后，在设置有电极2、3的基体1上，形成连接电极2、3之间的高分子膜4(图2(b))。
本发明中使用的所谓“高分子”，是指至少具有碳原子之间的键的材料。如果加热具有碳原子间的键的高分子，则发生碳原子间键的分解、再结合，由此导电性提高，在本发明中使用通过如此加热、导电性提高的高分子。
另外，本发明在后述的“低电阻化处理”中，通过照射电子和离子等的粒子束和激光等的光，实现高分子膜的低电阻化(提高导电性)。因此，在本发明的“低电阻化处理”中，除了热以外的主要原因，还可以考虑例如由电子束引起的分解再结合、由光子引起的分解再结合，加上由热引起的分解再结合，由此使构成高分子膜的碳原子之间的键产生分解、再结合，进一步有效地提高高分子膜的导电性。
在本发明中，将因热以及上述热以外的主要原因引起的高分子的构造性变化以及导电性变化统称为“改质”。
在本发明中，可以解释为由于增加了高分子中的碳原子间的共轭双键，因而导电性增加，根据“改质”进行的程度不同导电性不同。
作为通过碳原子间的键的分解·再结合容易显现导电性的高分子，即容易生成碳原子间的双键的高分子，可以列举芳香族高分子。特别是芳香族聚酰亚胺，是可以在比较低的温度下得到具有高导电性的热分解高分子的高分子材料。一般，虽然芳香族聚酰亚胺自身是绝缘体，但也有聚苯氧二氮茂、聚苯尼龙等，是在进行热分解前也具有导电性的高分子。因为发现这些高分子通过热分解具有更高的导电性，所以也是在本发明中可以很好使用的高分子。
高分子膜4的形成方法，可以使用公知的各种方法，即，旋转涂布法、印刷法、浸渍法等。特别是如果采用印刷法形成高分子膜4，则因为价格低廉，所以是理想的方法。其中，如果使用喷射方式的印刷法，则不需要图案形成工序，另外，因为还可以形成数百μm以下的图案，所以对于象适用于平面显示板那样的高密度配置电子发射元件的电子源的制造也有效。
用喷射方式和旋转涂布法等形成高分子膜4时，给予高分子材料溶液的液滴、进行干燥即可，但根据需要，也可以给予所需要的高分子的母液的液滴，通过加热等进行高分子化。
在本发明中，作为上述高分子材料，虽然最好使用芳香族高分子，但因为它们大多难以溶于溶剂，所以涂布该母液的方法是有效。举例来说，可以通过涂布作为芳香族聚酰亚胺的母体的聚酰亚胺酸溶液、加热等形成聚酰亚胺膜。
进而，作为溶解高分子的母体的溶剂，例如，可以使用N-甲基吡咯烷酮；N，N二甲替乙酰胺；N，N二甲基甲酰胺；二甲亚砜等，另外，也可以并用n-丁基溶纤剂、三乙醇胺等，但只要本发明可以适用则没有特别限制，并不限于这些溶剂。
此外，如用图28说明的那样，在通过高分子膜4(或者通过对高分子膜4实施“低电阻化处理”得到的膜4’)的形状，使电极2和高分子膜4(或者通过对高分子膜4实施“低电阻化处理”得到的膜4’)的连接长度与电极3和高分子膜4(或者通过对高分子膜4实施“低电阻化处理”得到的膜4’)的连接长度不同的情况下，在本工序中进行该处理。作为其一例，如图28所示那样形成高分子膜4，使得高分子膜4和电极2的连接长度(W1)与高分子膜4和电极3的连接长度(W2)不同。
为了使上述连接长度不同，可以用对高分子膜4图形化的方法。或者，当用喷射方式形成高分子膜的情况下，如图32等所示，也可以使用不在电极间的中央，而是在靠近一侧电极给予液滴4”的方法。或者，如图36等所示，在一个电极的表面能量和另一电极表面的表面能量不同的状态下，通过给予高分子材料的溶液或者高分子材料的母液后加热，也可以形成连接长度不同的高分子膜4。这样，可以适当地选择各种方法作为使连接长度不同的方法。
上述的高分子膜4和电极2的连接长度(W1)与高分子膜4和电极3的连接长度(W2)的差，虽然越大越好，但考虑到实际的工艺，长的连接长度被设定为短的连接长度的1.1倍以上，理想的是1.5倍以上，最好是1.7倍以上。
(3)此后，进行使高分子膜4低电阻化的“低电阻化处理”。“低电阻化处理”是使高分子膜4显现导电性、把高分子膜4制成具有所希望的电阻值的导电性膜4’的处理。由该“低电阻化处理”形成的导电性膜4’，也可以称为“以碳作为主要成份的导电性膜”，或者只称为“碳膜”。
在该工序中，从后述的间隙5的形成工序的观点看，在高分子膜4的薄膜电阻下降到103Ω/□以上、107Ω/□以下的范围(或者电阻率在10-3Ωcm以上、10Ωcm以下)前进行“低电阻化处理”。作为该“低电阻化处理”的一例，可以通过加热高分子膜4实现。通过加热使高分子膜4低电阻化(导电化)的理由是要通过进行高分子膜4内的碳原子间的键的分离、再结合显现导电性。
通过加热的“低电阻化处理”，可以通过把构成上述高分子膜4的高分子加热到分解温度以上的温度实现。另外，上述高分子膜4的加热最好是在惰性气体氛围中和真空等氧化抑制氛围下进行。
上述的芳香族高分子，特别是芳香族聚酰亚胺，虽然具有高的热分解温度，但通过加热到超过该热分解温度的温度，典型的是加热到700℃至800℃以上，就可以显现高的导电性。
但是，如本发明那样，当把构成电子发射元件部件的高分子膜4加热至热分解的情况下，在通过烘箱和电炉等整体加热的方法中，从其它构成电子发射元件的部件的耐热性的观点出发，有时受到限制。特别是基体1被限定于石英玻璃和陶瓷基板等具有特别高的耐热性的物质，如果考虑适用到大面积的显示器板等，则价格就非常高了。
因而，在本发明中，作为更适宜的“低电阻化处理”的方法，理想的是通过用电子束和离子束等的粒子束照射装置，或者激光束和卤素光等的照射装置，向高分子膜4照射粒子束或者光，来“低电阻化处理”高分子膜4。如果这样，则可以在抑制对其它部件的影响的状态下，进行高分子膜4的“低电阻化处理”。因为是从外部向基板上的高分子膜提供上述粒子束、激光束和卤素光等能量，所以也可以称为“能量束”。
以下说明上述“低电阻化处理”的例子。
(进行电子束照射的情况)在照射电子束的情况下，把形成有电极2、3、高分子膜4的基体1设置在安装有电子枪的减压氛围下(真空容器中)。从被设置在容器内的电子枪对高分子膜4照射电子束。作为此时的电子束照射条件，理想的是加速电压Vac为0.5kV以上、40kV以下。另外，在照射该电子束期间，监视电极2、3间的电阻值，可以在得到上述所希望的电阻值的时刻判断电子束照射结束。
(照射激光束的情况)
在照射激光束的情况下，把形成有电极2、3、高分子膜4的基体1配置在工作台上，对高分子膜4照射激光束。这时，为了抑制高分子膜4的氧化(燃烧)，理想的照射激光的环境是在惰性气体中和真空中进行。根据激光的照射条件，也可以在大气中进行。
作为此时的激光光束的照射条件，例如，理想的是用脉冲YAG激光的第二高次谐波(波长532nm)照射。另外，在照射该激光期间，监视电极2、3间的电阻值，可以在得到所希望的电阻值的时刻判断为激光束的照射结束。
另外，虽然不是必须对整个高分子膜4进行上述的“低电阻化处理”，但如果附加上本发明的电子发射元件在真空氛围中驱动的条件，最好不要把绝缘体在真空氛围中露出来。因而，理想的是实质上对高分子膜4的整个表面进行上述“低电阻化处理”。
通过上述“低电阻化处理”形成的导电性膜4’，还可以称为“以碳作为主要成份的导电性膜”，或者只称为“碳膜”。
在“低电阻化处理”中，如上所述，使一方的电极附近的高分子膜的低电阻化的程度与另一电极附近的高分子膜的低电阻化的程度不同，由此使间隙5的形成位置不同。具体地说，可以通过进行“低电阻化处理”，使得靠近要配置间隙5的电极的附近区域的高分子膜4与靠近另一电极附近区域的高分子膜相比处于高电阻状态实现。
换句话说，在一对电极间的区域内的高分子膜4中如此进行“低电阻化处理”，使得要在附近配置间隙5的电极(图2、图3中是电极2)附近的高分子膜4的电阻率处于比另一电极(图2、图3中是电极3)的附近的高分子膜4的电阻率高的状态。这样，在后述的间隙5的形成工序中，在把电压施加到一对电极(2，3)上时，在一方的电极附近发生的焦耳热可以比在另一电极附近发生的焦耳热多。其结果，能够在所希望的电极附近精确地配置间隙5。
在图3(a)以及图3(b)中，展示了通过照射激光光束进行上述的“低电阻化处理”的示意图。具体地说，在此，如图3(b)所示，展示了通过向电极3的一部分照射激光光，从电极3向电极2使在高分子膜4上的加热温度倾斜变化，进行“低电阻化处理”的例子。由此，可以形成在接近电极2的区域的电阻率，比接近电极3的区域的电阻率还高的导电性膜4’。
在此，虽然展示了使用激光的例子，但如上所述，即使从粒子束照射装置，或者光照射装置照射粒子束或者光，也可以设置电阻率分布。
另外，设置上述电阻率分布的方法，在此，展示了用和“低电阻化处理”相同的工序进行的方法，但在对高分子膜4进行实际上一样的“低电阻化处理”后，作为另一工序，也可以进行设置电阻率分布的工序。
进而，如图9(a)所示，因为对高分子膜4实际上进行同样的低电阻化处理，所以在对高分子膜4整体进行电子线照射后，通过只向电极3一侧照射激光光，可以设置高分子膜4的电阻率分布。因而，用多个低电阻化装置(粒子束照射装置或者光照射装置)，可以进行低电阻化处理。另外，在上述方法中，展示了在照射电子线后照射激光的例子，但也可以同时进行电子线和激光光的照射。
(4)以下，在用上述工序(3)得到的导电性膜4’上，进行间隙5的形成(图3(c))。该工序称为“电压施加工序”。
间隙5的形成，通过在电极2、3之间施加电压(流过电流)进行。通过该“电压施加工序”，在导电性膜4’(被低电阻化的高分子膜4)的一部分上形成间隙5。这时施加的电压，可以是直流电压也可以是交流电压，另外，也可以是矩形脉冲等的脉冲形电压，但理想的是脉冲电压。
进而，上述“施加电压工序”，也可以和上述的“低电阻化处理”同时，通过在电极2、3之间施加电压进行。另外，为了重现性好地形成间隙5，理想的是进行逐渐增加施加在电极2、3上的脉冲电压的“升压加工工序”。
另外，上述电压施加工序，理想的是在减压氛围下进行。特别希望在1.3×10-3Pa以下的压力氛围下进行。
由上述“电压施加工序”形成的间隙5，如果通过电极2和电极3，在相对基板1表面垂直的平面(断面图)上看，则可以说在和电极3连接的同时，至少由被配置在基板1表面上的碳膜的端部，和电极2的端部构成(参照图16等)。或者，如果通过电极2和电极3，在相对基板1表面垂直的平面(断面图)上看，则可以说间隙5至少由被配置在电极2上的碳膜的端部和在与电极3连接的同时被配置在基板1表面上的碳膜的端部构成(参照图16等)。如果更详细地说，则如果通过电极2和电极3在相对基片1表面垂直的平面(断面图)上看，则可以说间隙5，至少由电极2的端部，和被配置在电极2上的碳膜的端部，和在与电极3连接的同时，被配置在基板1表面上的碳膜的端部构成(参照图16等)。
用以上的工序(1)～工序(4)形成本发明的电子发射元件。用上述“电压施加工序”，把间隙5形成在碳膜(导电性膜)4’上的机理并不明确，以下，叙述被推测的间隙的形成机理。
靠上述“电压施加工序”发生的焦耳热，导电性膜4’升温。而后，导电性膜4’，因为具有负的电阻温度系数，所以电阻率进一步下降。其结果，考虑到存在在施加电压期间，在导电性膜4’上经过时间的同时，发生更大的焦耳热，使电阻进一步下降这一反应。
如上所述，通过采用图16、图18、图28等所示的电极2、3以及高分子膜4的构成，可以使在上述“电压施加工序”中产生的焦耳热，比在一电极附近的焦耳热多。另一方面，在“电压施加工序”中产生的焦耳热，因为经由基体1、电极2、3放热，所以一般在由比基体1材料热传导性优异的材料构成的电极2、3附近，温度梯度增大。而后，本发明人推测，如果超过某一温度以及温度梯度，则导电性膜(通过“低电阻化处理”高分子膜得到的膜)4’变形，在膜厚度薄并且温度梯度大的电极端部，直至断裂，其结果，形成间隙5。另外，换句话说，本发明人推测，在“电压施加工序”时的，因电极2、3、碳膜4’、基板1的各自的收缩率和热膨胀和热变形等的相对变化，形成间隙5。
进而，经上述的“低电阻化处理”得到的膜4’，在“电压施加工序”中有电阻进一步下降的现象。因此，在进行“低电阻化处理”后的导电性膜4’，和经由上述“施加电压工序”形成间隙5后的导电性膜4’中，有在其电气特性，和膜质等方面产生若干差异的现象。但是，无论是进行“低电阻化处理”后的膜，还是经由“电压施加工序”形成间隙5后的膜，都是以碳作为主要成份的膜。因此，在本发明中，特别是只要不断开，则作为在高分子膜上进行“低电阻化处理”的结果得到的膜，和经过上述“电压施加工序”形成间隙5后的膜没有区别。
另外，通过在具有这样形成的间隙5的膜4’上，经由电极2、3施加电压，隧道电流流过间隙5。而后，这时，如果在相对基体1配置的阳极电极(未图示)上施加高电压，则上述隧道电流的一部分散乱，而后，可以使该散乱后的隧道电流的一部分到达阳极电极。
如果用电子线分布观察显微镜等，详细观察电子发射点的分布，则可知电子发射点(电子发生部位)，沿着间隙5，离散地，或者连续地(包含不能观察到离散性发射点分开那样密实接触的情况)形成。
用上述的“电压施加工序”形成的间隙5，除了图1(b)的断面示意图所示的形态外，还可以获得图4、图5、图7(b)等所示的形态。
如图1(b)等所示，在本发明的电子发射元件中，在通过电极2、3间，相对配置有电极2、3的基体1的表面实际上垂直的平面(断面)上，与一方的电极3连接的碳膜4’，被配置在电极2、3之间的基体1表面上。
而后，在本发明的电子发射元件中，如上所述，如图1(b)等所示，在间隙5内的至少1部分中，理想的是具有电极2的表面露出的构成。如果换句话说，也可以说是在间隙5内，与电极3连接的碳膜(导电性膜)4’，和电极2(电极2的表面的一部分)相对的形态。或者，也可以说间隙5是由与电极3连接的碳膜(导电性膜)4’，和电极2(电极2的表面的一部分)，和基体1构成的形态。进而，在本发明中的所谓的“相对”，是指2个部件之间不用其他的固体填埋这种空间的形态。但是，并不排除在相对的部件表面上存在若干污染和附着物的情况。在本发明中所谓的“相对”，至少包含以SEM和TEM水平观测时，在相互的表面上未观测到被膜的2个部件相对的状态。
而且，在本发明的电子发射元件中，特别是在间隙5内，更理想的形态是与电极3一侧连接的碳膜(导电性膜)4’，和与电极2以及电极3连接的碳膜(导电性膜)4’的积层体相对的形态。如果换句话说此构成，则可以说是在间隙5内，与电极2和电极3连接的碳膜4’的界面和与电极3一侧连接的碳膜(导电性膜)4’相互面对的形态。或者，也可以说间隙5的形态是由与电极3连接的碳膜(导电性膜)4；和电极2(电极2的表面的一部分)，和与电极2连接的碳膜(导电性膜)4’，和基体1构成的形态。更正确地说，本发明的电子发射元件的间隙5，由与电极3连接的碳膜4’的表面的一部分(或者“端部”)、基体1的表面的一部分、电极2的表面的一部分，和与电极2连接的碳膜4’的表面的一部分(或者“端部”)构成。电极2的表面不必须在整个间隙5内露出(图1(a)的W方向的长方向的全部)。另外，因为电极3远离间隙，所以电极3不在间隙5内露出。
另外，在图1等中，模式化展示碳膜4’靠间隙5分成完全的2部分的形态，在本发明中，还包含电极一侧2的掩膜和电极3一侧的碳膜局部连接的情况，但不会出现电子发射问题。
如果采用本发明者的研究，则在间隙5内，如果存在(露出)电极2、与电极2连接的碳膜4’的形态，则可知特别可以提高电子发射效率。其理由虽然不清楚，但可以认为是从与电极3连接的碳膜4’一侧发生隧道效应的电子，由于在电极2和电极2上的碳膜界面上的电场等的影响，摆脱间隙5，确保了在阳极电极上的发射电子，其结果，可以得到优异的电子发射效率、电子发射特性。
另外，在本发明的电极发射元件的间隙5内，是电极2的表面露出的结构，但因为电极3离开间隙5，所以电极3不在间隙5内露出。通过采用这样的构造，可以显著提高相对施加在电极2、3间的电压的极性的，电子发射特性的非对称性。这可以认为是，从电极2(或者与电极2连接的碳膜)和与电极3连接的碳膜4’的两侧使电子产生隧道效应引起的电子发射效率不同而引起的。因此，通过设置成在间隙5内电极2的表面露出的结构，例如图15所示，把本发明的电子发射元件配置成矩阵形状，把各个电子发射元件与施加扫描信号的扫描配线(93)以及与扫描线正交、并与扫描信号同步地施加调制信号的信号配线(92)连接，当在扫描配线(93)上顺序施加扫描信号脉冲、依线的顺序驱动的情况下，无论什么原因把与用于电子发射的正偏置相反的反向偏置施加在电子发射元件上时，也可以抑制不需要的电子发射。其结果，因为在显示器等的情况下可以抑制显示中的不需要的发光，所以可以形成对比度优异的显示器。
另外，上述间隙5的宽度(与电极3连接的碳膜4’的，向着电极2一侧的部分的前端，和在间隙5内露出的表面(或者构成间隙5的，被配置在电极2上的碳膜4’的表面)的距离)，理想的是50nm以下，更理想的是10nm以下，最好是5nm以下。如果这样，则本发明的电子发射元件可以用数十伏驱动。
而后，如图1(b)等所示，在本发明的电子发射元件的间隙5内，理想的是在基体1的表面，和与电极3连接的碳膜4’之间，存在空隙部6。换句话说，理想的是在与电极3连接的碳膜4’的在电极2一侧上的端部(前端部)和基板1表面之间有空隙。因此，本发明的电子发射元件的间隙5的宽度(在电极2和电极3相对的方向上的长度)，在从基体1的表面离开的上方位置上，其宽度变窄。空隙部6使产生上述隧道现象的区域离开基体1的表面，估计被包含在基体1中的离子等可以控制对产生上述隧道现象的区域的不利影响。其结果，在使电子发射特性稳定的同时，可以推测为具有抑制与电极3一侧连接的碳膜4’和电极2之间的无效的漏电流的作用。
在本发明的电子发射元件中，还通过控制在上述电压施加工序中的间隙5形成时的焦耳热，可以使间隙5内的基体1变质。其结果，如图4、图5、图7(b)等所示，可以在间隙5内的基体1上形成凹部7。在形成了凹部7的情况下，把上述间隙5的一部分，加上上述的构成部件，构成凹部7。
凹部7可以增加夹着间隙5相对的部件(或者与电极2连接的碳膜4’)之间的沿面距离。其结果，可以认为在施加非常高的电场的间隙5内，可以抑制隔着基板1的表面的，不希望的放电现象。其结果，可以得到即使在电子发射元件上施加意外的高电压，也难以破坏的具有耐久性的电子发射元件。
进而，在本发明的电子发射元件中，在通过电极2、3间，相对配置有电极2、3的基体1的表面实际上垂直的平面(断面)图(图1(b)，图4，图5，图7(b)，图16(b)，图28(b)等)中，理想的是把与电极2连接的碳膜4’表面距离基体1表面的高度，设定得比连接电极3，构成间隙5的一部分的碳膜4’的表面距离基体1的高度还高。在设置成这样的结构，把电极2一侧的电位设定得比电极3一侧的电位还高，驱动电子发射元件时，作为栅电极的电极2一侧，位于比与作为阴极电极的电极3连接的碳膜4’前端还高的上方(阳极一侧)。其结果，在具有提高电子发射效率的效果的同时，可以得到收敛发射电子的电子束直径的效果。
作为上述的，用于把与电极2连接的碳膜4’表面距离基体1表面的高度，设定得比连接电极3，构成间隙5的一部分的碳膜4’的表面距离基体1的高度还高的方法可以使用各种方法。作为其一例，例如可以考虑以下的方法。例如，如图6(c)所示，可以预先把和电极3相对的区域上的，电极2的前端加工成尖形(锥形)，通过进行上述的低电阻化处理，以及电压施加工序形成。这在间隙5的形成时，电极2的前端引起热变形、凝聚，如图7(b)所示，产生变形部(凝聚部)8，其结果，可以使与电极2连接的碳膜4’的表面距离基体1表面的高度增加。
另外，把上述电极2的前端做成锥形，还将导致控制上述空隙6的大小。空隙6，在上述电压施加工序前的电极2的，相对电极3的部分的前端部的膜厚度越小越容易形成。另一方面，电极前端部的膜厚度大的一方，在间隙形成时的电流供给，以及电子发射时的电流供给，以及热耐久性方面有利。因而，如上所述，如果把上述电压施加工序前的电极2的，相对电极3的部分的前端部的形状，做成向着前端膜厚度逐渐减少那样的锥形形状，则在形成间隙6时控制性好的同时，可以通过凝聚或者变形，使电压加工工序后的电极2的前端部增厚。
用图12所示的测定装置计量经过以上工序得到的本发明的电子发射元件的电压-电流特性，具有模式化展示在图13中的特性。即，本发明的电子发射元件，具有阈值电压Vth，在电极2、3上施加比该电压低的电压时，实际上不发射电子，而通过施加比该电压高的电压，元件的发射电流(Ie)、流过电极2、3之间的元件电流(If)开始增加。
本发明的电子发射元件，为了具有以上的特性，构成在同一基板上以矩阵状配置多个上述电子发射元件的电子源，可以选择所希望的元件驱动。
进而，在图12中，和在图1等其他图中所使用的符号相同的符号的部件指同样部件。84是阳极，83是高压电源，82是用于测定从电子发射元件发射出的发射电流Ie的电流计，81是用于在电子发射元件上施加驱动电压Vf的电源，80是用于测定流过电极2、3之间的元件电流If的电流计。在电子发射元件的上述元件电流If、发射电流Ie的测定时，在电极2、3上连接电源81、电流计80，在该电子发射元件的上方配置连接电源83和电流计82的阳极84。另外，本电子发射元件以及阳极电极84被配置在真空装置内，在该真空装置中具备未图示的排气泵以及在真空计等的真空装置中需要的机器，可以在所需要的真空下进行本元件的测定评价。进而，把阳极电极和电子发射元件间的距离H设定为4mm，把真空装置内的压力设置为1×10-6Pa。
图26是展示使用用本发明的制造方法制造的电子发射元件102的图象形成装置(图象显示装置)的一例的示意图。进而，在图26中为了说明图象形成装置(气密容器100)内，去除后述的支撑框架72以及平板71的一部分。
在图26中，1是配置有多个本发明的电子发射元件102的背板。71是配置有图象形成部件75的平板。72是用于把平板71和背板1之间保持减压状态的支架框。101是为了保持平板71和背板1之间的间隔而配置的隔板。
当图象形成装置100是显示器的情况下，图象形成部件75由荧光体膜74和金属壳等的导电性膜73构成。62以及63是用于在各个电子发射元件102上施加电压的而连接的配线。Doy1～Doyn以及Do×1～Do×m，是用于连接被配置在图象形成装置100的外部上的驱动电路等，和从图象形成装置的减压空间(用平板和背板和支撑架包围的空间)中引出到外部的配线62以及63的端部的取出配线。
以下，把图26所示的，使用本发明上述的电子发射元件的本发明的图象形成装置(图象显示装置)的制造方法的一例用图19至图25等展示。
(A)首先，准备背板1。作为背板1，使用由绝缘性材料组成的板，特别理想的是使用玻璃。
(B)以下，在背板1上成组形成在图16中说明的一对电极2、3(图19)。
在此，电极2和电极3，如图16(b)所示，把电极3的厚度做成比电极2的厚度厚。
另外，电极2、3的成膜方法，可以使用阴极溅镀法、CVD法、印刷法等各种方法。进而，在图19中，为了简化说明，使用在X方向上设置3组，在Y方向上设置3组，形成合计9组电极对的例子，该电极对数，根据图象形成装置的解象度适宜设定。
(C)以下，如覆盖电极3的一部分那样，形成下配线62(图20)。下配线62的形成方法，可以使用各种方法，但理想的是使用印刷法。即使在印刷法中因为丝网印刷法在大面积的基板形成中便宜所以理想。
(D)在下配线62，和在以下工序中形成的上配线63的交叉部上形成绝缘层(图21)。绝缘层64的形成方法也可以使用各种方法，但理想的是使用印刷法。即使在印刷法中因为丝网印刷法在大面积的基板形成中便宜所以理想。
(E)形成和下配线62实际上正交的上配线63(图22)。上配线63的形成方法也可以使用各种方法，但和下配线62一样，理想的是使用印刷法。即使在印刷法中因为丝网印刷法在大面积的基板形成中便宜所以理想。
(F)以下，如连接各电极对2、3之间那样，形成高分子膜4(图23)。高分子膜4，如上所述可以用各种方法制成，但为了简易地形成大面积，理想的是使用喷射法。
(G)以下，如上所述，进行低电阻化各高分子膜4的“低电阻化处理”。通过该工序，高分子膜4，变化为导电性膜4’(图24)。具体地说，导电性膜4’的电阻率的范围是10-3Ωcm以上10Ωcm以下。
(H)接着，在用上述工序(G)得到的导电性膜4’(通过“低电阻化处理”高分子膜得到的膜4’)上，进行间隙5的形成。该间隙5的形成，通过在各配线62以及配线63上施加电压进行。由此，在各电极对2、3之间施加电压。进而，作为施加的电压理想的是脉冲电压。通过该“电压施加工序”，在导电性膜4’的一部分上形成间隙5(图25)。而后间隙5被配置在电极2的端部附近。作为电子发射元件可以是说明本发明的任意图面所示的形态，理想的是在如图1所示的电极2上配置有碳膜的形态，如图4和图5所示的间隙5内的基板1表面为凹状的形态更理想，最理想的是在图5中模式化展示的形态。
进而，此“电压施加工序”，在和上述的“低电阻化处理”同时，即，在进行电子束和激光束的照射之中，也可以通过在电极2、3之间连续施加电压脉冲进行。无论哪种情况，都希望“电压施加工序”在减压氛围中进行。
(I)以下，进行具有预先准备的，由铝膜组成的金属壳73和荧光体膜74的平板71，和经由上述工序(A)～(H)的背板1的对位，使得金属壳和电子发射元件相对(图27(a))。在支架框72和平板71的接触面(接触区域)上配置粘接部件。同样，在背板1和支架框72的接触面(接触区域)上也配置粘接材料。在上述粘接部件中，使用具有保持真的功能和粘接功能的材料，具体地说可以使用烧结玻璃和铟、铟合金等。
在图27中展示了，支架框72，用粘接部件固定(粘接)在预先经由上述工序(A)～(H)的背板1上的例子，但不是必须在本工序(I)时粘接。另外，在图27中虽然展示了把隔板101固定在背板1上的例子，但隔板101，也不是必须在本工序(I)时固定在背板1上。
另外，在图27中，为了方便，展示了把背板1配置在下方，把平板71配置在背板1的上方的例子，但哪个在上都可以。
进而，在图27中展示了，支撑框72以及隔板101，预先被固定(粘接)在背板1上的例子，但只要装在背板上或者平板上，也可以在以下的“密封工序”时固定(粘接)。
(J)以下，进行密封工序。把在上述工序(I)中相对配置的平板71和背板1在它们相对的方向上加压，同时至少加热上述粘接部件。上述加热，为了减少热应变，理想的是加热平板以及背板的整个。
进而，在本发明中，上述“密封工序”，理想的是在减压(真空)氛围中或者非氧化氛围中进行。作为具体的加压(真空)氛围，是10-5Pa以下的压力，理想的是10-6Pa以下的压力。
通过该密封工序，可以得到平板71和支架框72和背板1的接触部分被气密性粘接，同时，内部维持高真空的，图26所示的气密容器(图象形成装置)100。
在此，展示了在减压(真空)氛围中或者非氧化氛围中进行“密封工序”的例子。但是，在大气压中进行上述“密封工序”也可以。这种情况下，预先在气密容器100上设置用于排除平板和背板之间的空间的排气管，在上述“密封工序”后，把气密容器内部排气到10-5Pa以下，理想的是10-6Pa以下。其后，通过密封排气管，可以得到内部维持高真空的气密容器(图象形成装置)100。
当在真中进行上述“密封工序”的情况下，为了把图象形成装置(气密容器)100内部维持在高真空，理想的是在上述工序(I)和工序(J)之间，设置在上述金属壳73上(和金属壳和背板1相对的面)被覆吸气材料的工序。这时，作为使用的吸气材料，从简易地进行被覆的观点出发理想的是蒸发型的吸气剂。因而，理想的是把钡作为吸气剂膜被覆在金属壳73上。另外，该吸气剂被覆工序，和上述工序(J)一样，在减压(真空)氛围中进行。
另外，在此说明的图象形成装置的例子中，在平面71和背面1之间，配置隔板101。但是，当图象形成装置的个头小的情况下，不一定需要隔板101。另外，如果背板1和平板71的间隔是数百μm则不需要支撑框72，也可以用粘接部件直接粘接背板1和平板71。这种情况下，粘接部件兼具支撑框72的替代部件。
另外，在本发明中，在形成电子发射元件102的间隙5的工序(工序(H))后，进行对位工序(工序(I))以及密封工序(工序(J))。但是，也可以在密封工序(工序J)后进行工序(H)。另外，虽然此处采用了用图16说明的形态的电子发射元件以及制造方法，但也可以采用上述其他的电子发射元件的形态以及制造方法。
以下，详细说明本发明的实施例。
本实施例是制造图1所示的本发明的电子发射元件的例子。
作为基体1，因为通过使用玻璃基板，可以使以下的激光通过基体，所以可以与玻璃基板的正反无关地进行激光照射。作为相对的电极2、3的材料，使用对以下的激光照射耐热性高，特别是热传导性高的白金。作为高分子膜4，使用芳香族聚酰亚胺。
以下，使用图1、图2、图3，叙述本实施例的电子发射元件的制造方法。
(工序1)作为基板1使用石英玻璃，用洗净剂、纯水以及有机溶剂等充分洗净基体1，在用真空蒸镀法、阴极溅镀法等堆积元件电极材料后，例如用光刻技术在基体1上形成电极2、3(图2(a))。这时，把电极间隔L设置为10μm，把电极的宽度W设置为500μm，把其厚度设置为100nm。
(工序2)在形成有电极2、3的基板上，用旋转涂布法旋转涂布用N-甲基吡咯烷酮/三乙醇胺溶剂稀释作为芳香族聚酰亚胺的母体的聚酰亚胺酸(日立化成工业(株)制造PIX-L110)溶液至树脂成份3％的溶液，在真空中，升温至350℃烘干，进行亚胺化。由该工序形成的聚酰亚胺膜的膜厚度是30nm。该聚酰亚胺膜通过光刻技术，如跨过电极2、3那样，图案形成为宽度W’是300μm，形成所希望形状的高分子膜4(图2(b))。
(工序3)以下，进行高分子膜4的低电阻化处理。具体地说，把形成有电极2、3、由聚酰亚胺膜组成的高分子膜4的基体1放置在工作台上(大气中)，对电极3，照射Q开关脉冲NdYAG激光(脉冲宽度100nm，重复频率10kHz，每一脉冲的能量0.5mJ)的第二高次谐波(SHG波长632nm)(图3(a))。
这时，一边使工作台移动，一边在和电极3的边缘平行的方向(电极宽度方向)上对电极3上照射激光。由此，在整个元件电极宽度方向上，均匀地进行高分子膜的改质。激光照射的轨迹如图3(b)所示。
此时，同时在电极间施加电阻监视用的低电压(DC500mV)，高分子膜的电阻，在刚下降到约500Ω时，停止激光光照射。
使用通过金属涂层探针使其具有导电性的扫描型原子力显微镜(AFM/STM)，在电子发射元件的电极和探针之间一边施加偏置电压一边扫描同一元件，测定进行了低电阻化处理的高分子膜的电阻分布。
其结果，可以确认从照射激光光的电极3一侧，向着相对的电极2形成电阻值上升的电阻分布。即，如图11(a)所示，如果展示横切进行过低电阻化处理的高分子膜的A-B线上的相对电阻值，则如图11(b)所示，在电极间的C-D之间，具有从D向C电阻增高那样的分布。
另外，喇曼分光分析进行低电阻化处理得到的膜，可知聚酰亚胺膜4改变为包含石墨成份的膜4’。
(工序4)以下，在图12所示的真空装置内，移动经低电阻化处理的形成有高分子膜(碳膜4’)的基体1，进行电压施加工序(间隙5的形成工序)。具体地说，在电极2、3之间，通过连续施加脉冲宽度1msec、脉冲间隔10msec矩形脉冲，在碳膜4’上形成间隙5(图3(c))。
以下，在图12所示的真空装置内，一边在阳极电极84上施加1kV，一边在本实施例中制造的电子发射元件的电极2、3之间，施加19V、脉冲宽度1msec、脉冲间隙10msec的矩形脉冲，用负的极性施加照射激光光的电极3一侧。测定此时流过的元件电流If以及发射电流Ie的结果是If＝0.6mA，Ie＝4.2μA。
在本实施例中制造的电子发射元件的电子发射特性相对施加电压的极性是非对称的，如果用正的极性在照射激光光的电极3一侧施加电压，则与相反的极性相比，只流过1/10左右的电流。
另外在用光学显微镜、扫描型电子显微镜、透过型电子显微镜详细观察在本实施例中制造的电子发射元件时，在未照射激光光的电极2附近形成间隙5，另外，在间隙5内，在基体1和碳膜4’之间，形成空隙6。另外，可以确认在间隙5内电极2的一部分露出。
在本实施例中，基本上，用和实施例1一样的工序制造电子发射元件，但在本实施例中，在低电阻化处理中使用电子线照射。因而，在此，使用图8说明实施例1的工序3以后的工序。
(工序3)
把形成有电极2、3、高分子膜4的基体1放置在安装有电子枪的真空容器中，在进行充分的排气后，使电子线中心的照射位置来到电极3上，在电极3上照射电子线(参照图8(a)、(b))。此时的电子线的照射条件，设置成加速电压Vac＝10kV。电子线的点直径设定在约200μm，把其中心设定在从电极3的端部向上离开100μm以上，在电极间直接照射电子线。在高分子膜4的电阻值刚下降到约500Ω时，中止电子线的照射。
用AFM/STM测定低电阻化处理同一元件后的高分子膜的电阻分布，可以确认形成了从照射电子线的电极3一侧，向相对的电极2，电阻值上升那样的电阻分布。即，如图11(a)所示，在电极2、3间的C-D区域中，具有从D向C电阻增高那样的分布。
另外，喇曼分光分析进行低电阻化处理得到的膜，可知聚酰亚胺膜4改变为包含石墨成份的膜4’。
(工序4)以下，通过以上工序，把形成有改质后的高分子膜(碳膜4’)的基体1，安装在图12的装置系统中，在电极2、3之间，通过连续施加20V，脉冲宽度1msec、脉冲间隔10msec的矩形脉冲，在碳膜4’上形成间隙5。
通过以上工序，制造本实施例的电子发射元件。通过用光学显微镜、扫描型电子显微镜观察该电子发射元件，如图8(c)所示，确认在未照射电子束的电极2的电极上，形成有沿着电极的间隙5。
以下，在图12所示的真空装置内，一边在阳极电极84上施加1kV，一边在本实施例中制造出的电子发射元件的电极2、3之间，施加19V，脉冲宽度1msec、脉冲间隔10msec的矩形脉冲，用负的极性施加照射电子线的电极3一侧。测定此时流过的元件电极If以及发射电流Ie，结果是If＝0.6mA，Ie＝4.2μA。
在本实施例中制造的电子发射元件的电子发射特性相对施加电压的极性是非对称的，如果用正的极性在照射激光光的电极3一侧施加电压，则与相反的极性相比，只流过1/10左右的电流。
另外本实施例的电子发射元件，如果驱动电极2的电位比电极3的电位还高，则即使长时间驱动也可以维持稳定的电子发射特性。
在本实施例的电子发射元件中，基本上是和上述的实施例的电子发射元件相同的形态，但制造方法有一部分不同。
首先，和实施例1的工序1、工序2一样，在由石英玻璃构成的基体1上制造电极2、3，以及由聚酰亚胺膜构成的高分子膜4。电极间隔L比前面实施例还宽，设定为20μm，把电极的宽度W设定为500μm，把其厚度设定为100nm。另外，把高分子膜4的宽度W’设置为300μm。
当电极间隔L宽的情况下，如实施例1或者实施例2所示，在由电极加热，以及热传导引起的高分子膜4的低电阻化处理中，存在不能充分改变高分子膜4的电传导特性的情况。
因而，进行使高分子膜4的整个面的电阻同样下降的工序，具体地说，在相对的电极2、3之间的高分子膜4上照射电子线，使高分子膜4的电阻同样地下降(图9(a))。
而后，和上述的电子线的照射工序同时，对电极3，从基体1的背面，即未形成电极3的面，照射激光光(图9(a))。激光，使用如透过基体1那样的Q开关脉冲NdYAG激光(脉冲宽度100nm，重复频率10kHz，光束直径10μm)的第二高次谐波(SHG波长632nm)。这时，一边使激光相对高分子膜移动，一边在和电极的边缘平行的方向(电极的宽度W方向)上照射一方的电极3上，在电极的整个宽度W方向上，使热均匀传导在高分子膜上进行改质。激光光照射的轨迹，如图(9(b))所示。在高分子膜的电阻刚下降到约500Ω时，停止激光的照射。
和实施例1一样，在使用AFM/STM测定低电阻化处理同一元件后的高分子膜的电阻分布时，如图11所示，可以确认形成了在从照射激光光的电极一侧向相对的电极电阻值上升的电阻分布。
另外，喇曼分光分析进行低电阻化处理得到的膜，可知聚酰亚胺膜4改变为包含石墨成份的膜4’。
在本实施例中，虽然同时进行电子线照射，和对电极3的激光光照射，但在对高分子膜4照射电子线后，即使接着对电极3进行激光光照射，也可以同样进行低电阻化处理。这种情况下，电子线的照射条件，设置为加速电压Vac＝10kV，在高分子膜的电阻值刚下降到2kΩ时，中止电子线的照射。接着，对电极3，照射Q开关脉冲NdYAG激光(脉冲宽度100nm，重复频率10kHz，光束直径10μm)的第2高次谐波(SHG波长632nm)，在高分子膜的电阻刚下降到约500Ω时，停止激光的照射，由此和上述电阻化处理一样，可以形成碳膜4’。
以下，和实施例1一样，用图12的装置系统，在电极2、3之间，通过连续施加25V、脉冲宽度1msec、脉冲间隔10msec的双极性矩形脉冲，在碳膜4’上形成间隙5，制造本实施例的电子发射元件。
在用光学显微镜、扫描型电子显微镜观察在本实施例中制造的电子发射元件时，可以确认在未照射激光光的电极2的电极上，沿着电极在碳膜4’上形成间隙5(图9(c))。另外，可以确认在间隙5内露出电极2的一部分。
以下，在图12所示的真空装置内，一边在阳极电极84上施加1kV，一边在本实施例中制造的电子发射元件的电极2、3之间，如使电极2的电位一方升高那样，施加22V的驱动电压、测定此时流过的元件电流If以及发射电流Ie的结果是If＝0.8mA，Ie＝4.2μA，即使长时间驱动也可以维持电子发射特性。
在本实施例中，通过并列排列2个和上述的实施例中的电子元件一样的元件，形成一个电子发射元件。由此与电子发射部分是一个的情况相比，可以得到更多的电子发射。
图6模式化展示本实施例中的电子发射元件。图6(a)是平面图，图6(b)是断面图。进而，在和上述实施例通用的部分上使用相同的符号，另外，在图6(b)上还显示有阳极电极12。
在本实施例的电子发射元件中，夹着共用电极2配置电极3，碳膜4’与二对电极各自连接。
首先，和实施例1一样，在由石英玻璃构成的基体1上，制成电极2、3，以及由聚酰亚胺膜构成的高分子膜。电极2、3的间隔L设置成10μm，把电极2、3的宽度W设置为300μm，把其厚度设置为100nm。另外，高分子膜(最后的碳膜4’)的宽度W’设置成100μm。
接着，进行如下低电阻化处理。
把形成有电极2、3，以及聚酰亚胺膜的基体1设置在工作台上(大气中)，对于电极3，照射Q开关脉冲NdYAG激光(脉冲宽度100nm，重复频率10kHz，光束直径10μm)的第二高次谐波(SHG波长632nm)。
这时，一边使工作台移动，一边在和电极3的边缘平行的方向照射电极3，由此在整个电极宽度W方向上，均匀地进行高分子膜的改质。激光照射的轨迹如图10(a)所示。另外，同时在电极2、3间施加电阻监视用的低电压(DC500mV)，高分子膜的电阻，在刚下降到约500Ω时，停止激光光照射，结束低电阻化处理。
对二对电极分别进行上述的低电阻化处理。
通过喇曼分光分析进行低电阻化处理得到的膜，可知聚酰亚胺膜4改变为包含石墨成份的膜4’。
另外，在用AFM/STM测定同一元件的碳膜4’的电阻分布时，可以确认形成了从共用电极2，向照射了激光光的2个电极3，电阻下降那样的电阻分布。
以下，和实施例1一样，把通过上述工序形成有碳膜4’的基体1，安装在图12的装置系统中，在2对电极2、3之间，顺序连续施加20V、脉冲宽度1msec、脉冲间隔10msec的矩形的脉冲。
在用光学显微镜、扫描型电子显微镜观察在本实施例中制造的电子发射元件时，可以确认在共同电极2两侧，沿着电极2的边缘在碳膜4’上形成间隙5(参照图10(a)，(b))。另外，可以确认在间隙5内电极2的一部分露出。
在本实施例中制造的元件，如图10(b)模式化所示，如果把共用电极2作为正极，把相对的电极3作为负极，施加电压，则向共用电极2发射电子。这时，在元件的上方设置阳极电极12，如果施加高电压(数kV)，则由于阳极电压作用，可以起到在阳极电极上收敛从二处的间隙附近5发射出的电子的作用。
本实施例的电子发射元件，因为偏向共用电极2一侧形成间隙5，所以可以使2个电子发射部分接近。因此，与在电极2、3之间的中央部上形成电子发射部分的现有的表面传导型电子发射元件相比，可以更简单地把发射电子收敛在阳极电极上。因而，如果把本电子发射元件作为图象形成装置的电子源使用，则有利于图象的高清晰化。
在本实施例中，在和相对的电极2、3的高分子膜4连接的端部(边缘)上，把电极的断面形状设置成膜厚度向着前端(相对的电极侧)逐渐减少的锥形形状。
以下，用图6以及图7说明本实施例的电子发射元件的制造方法。
作为基体1使用石英玻璃基板，用洗净剂、纯水以及有机溶剂等充分洗净基体1，用真空蒸镀法、阴极溅镀法等沉积元件电极材料(Pt)9。以下，在堆积在基体1上的Pt薄膜9上，用通常的光刻法形成与电极2、3的形状对应的光敏抗蚀剂图案10(图6(a))。
以下，实施采用了CF4/O2的RIE(反应性离子蚀刻)，形成电极的图案(图6(b))。
接着，用有机溶剂溶解剥离抗蚀剂10，形成电极2、3(图6(c))。进而，电极间隔L设置为10μm，电极的宽度W设置为500μm，电极厚度t设置为30nm。
以上形成的电极2、3，各向异性蚀刻的结果，在电极2、3相对的区域的边缘部分上，具有锥形形状的构造11。即，在本实施例中的电极的形成方法中，在两电极的边缘上形成锥形构造，该锥形的长度L’是500nm。
在以上制造的电极2、3之间，和实施例1一样，形成由聚酰亚胺膜组成的高分子膜4。高分子膜4的厚度设置为30nm。用光刻技术图案形成该高分子膜4，使其宽度W’是300μm，从电极3向电极2碳膜4’的电阻逐渐增加。
下面，和实施例2一样通过照射电子束进行低电阻化处理，使聚酰亚胺膜4变为碳膜4’。这时，电子束照射在电极3一侧，碳膜4’的电阻从电极3向电极2一方逐渐变高。
对于上述制成的碳膜4’进行和实施例2一样的电压施加工序，在电极2的边缘附近形成间隙5。
使用透过电子显微镜，观察间隙附近的构造，形成锥形11的电极2的边缘部，因凝聚、变形(8所示)而后退。另外，沿着间隙5，基体1变质形成凹部7，进一步沿着间隙5，在基体1和碳膜4’之间形成空隙6。进而，还确认在间隙5内电极2露出(图7(b))。
在实施例1中的空隙6，被局部形成在电极2边缘部上，但在本实施例中的空隙6，可知形成在全部间隙5上。即，可知由于锥形形状的构造11的存在，可以更有效地形成空隙6。
而后，在本实施例的间隙5中，电极2上的碳膜4’的表面(“上面”，或者“前端”)，被配置在与电极3连接的碳膜4’的前端(端部)的上方。电极2上的碳膜4’的表面，和与电极3连接的碳膜4’的前端的高度的差，与实施例1相比，本实施例的一方大。
通过和实施例1一样地评价在本实施例中制造的电子发射元件，可以长期稳定地维持比实施例1的电子发射元件更高的电子发射效率。
即使在本实施例中，也和实施例5一样，使用边缘部形成锥形形状的电极。但是，锥形构造的形成方式不同。即使在本实施例中，也用图6以及图7说明元件的制造方法。
在本实施例中，在堆积在基体1上的Pt膜9上，在用通常的光刻法形成与电极2、3的形状对应的光敏抗蚀剂图案10后，用湿式蚀刻形成电极图案。这时，作为腐蚀剂，使用HNO3/7HCI/8H2O。以下，用有机溶剂溶解剥离抗蚀剂10，形成电极2、3(参照图6)。
以上形成的电极2、3，通过各向异性蚀刻的结果，在电极2、3相对的区域的边缘部上，具有锥形形状的构造11。进而，电极膜厚度t是100nm，锥形长度L’是1000nm。
在以上制造的电极2、3之间，和实施例5一样，形成由聚酰亚胺膜构成的高分子膜4(图7(a))。
以下，和实施例2一样，用电子线照射进行低电阻化处理，使聚酰亚胺膜4变化为碳膜4’。这时，在电极3一侧照射电子线，从电极3向电极2，碳膜4’的电阻逐渐增加。
对于这样制成的碳膜4’进行和实施例2一样的电压施加工序，在电极2的边缘附近形成间隙5。
用透过电子显微镜等，观察间隙5附近的构造，形成锥形11的电极2的边缘部，因凝聚、变形(8所示)而后退，沿着间隙5，基体1变质形成凹部7，进一步沿着间隙5，在基体1和碳膜4’之间形成空隙6。另外，还确认在间隙5内电极2露出(图7(b))。
通过和实施例5一样地评价在本实施例中制造的电子发射元件，和实施例5的电子发射元件一样，可以长期稳定地维持高的电子发射效率。
本实施例，制造把本发明的电子发射元件配置成矩阵的电子源以及图象显示装置。
图14是说明本实施例的电子源的制造构成的概略图，图15是本实施例的图象显示装置的概略图。
图14放大展示本实施例的电子源的一部分，和图1一样的符号，表示相同的部件。62是Y方向配线，63是X方向配线，64是层间绝缘层。
在图15中，和图1以及图14一样的符号表示同样的部件。101是在玻璃基板上积层荧光膜和Al金属壳的平板，102是用于粘贴基板1和平板101的支撑框架，用基板1、平板101、支撑框架102形成真密闭容器。另外，103是高压端子。
以下，用图14、图15说明本实施例。
在高应变点玻璃基板(旭硝子(株)制造，PD200，软化点830℃，缓冷点620℃，应变点570℃)上，用喷镀法，沉积厚度100nm的Pt膜，用光刻技术形成多个由Pt膜组成的电极2、3(图14(a))。进而，电极2、3的间隔设置成10μm。
以下，用丝网印刷法印刷Ag膏，通过加热烧制，形成与多个电极3连接的Y方向配线62(图14(b))。
接着，在Y方向配线62和X方向配线63的交叉部的位置上，用丝网印刷法印刷绝缘性膏，通过加热烧制形成绝缘层64(图14(c))。
以下，用丝网印刷法印刷Ag膏，通过加热烧制，形成与多个电极2连接的Y方向配线62，在基板1上形成矩阵配线(图14(d))。
如上所述在跨越形成有矩阵配线的基板1的电极2、3之间的位置上，用喷射法，以电极间的中央为中心涂布作为聚酰亚胺的母体的聚酰亚胺酸的3％N-甲基吡咯烷酮/三乙醇胺溶液。把它在真空条件下在350℃下干燥，得到由直径约100μm，膜厚度300μm的圆形的聚酰亚胺膜构成的高分子膜4(图14(e))。
以下，把形成有由Pt构成的电极2、3，矩阵配线，聚酰亚胺膜构成的高分子膜4的基板1放置在工作台上，对各个电极3，照射Q开关脉冲NdYAG激光(重复频率10kHz，光束直径30μm)的第2高次谐波(SHG)，进行低电阻化处理。
这时，使工作台移动，在与各个电极3的边缘平行的方向上照射。通过该低电阻化处理，由聚酰亚胺膜组成的高分子膜4，被改变为包含石墨的碳膜。
使如此把多个元件排列形成矩阵的基板(电子源基板)1，平板101相对，隔着2mm厚度的支撑框架102配置，用烧结玻璃在400℃下进行密封。进而，在和平板101的电子源基板1的相对面上，配置有作为发光部件的荧光膜，和相当于阳极电极的由Al构成的金属膜(金属壳)。在荧光膜上，使用把发出R(红)、G(绿)、B(蓝)3原色的荧光体的各自配置成矩阵形状的结构。
把由制作的基板1、平板101、支撑框架102构成的密闭容器内部，通过未图示的排气管用真空泵排气，进而为了维持真空度，在密闭容器内加热处理(吸气剂的活性化处理)未图示的非蒸发型吸气剂后，用煤气喷灯熔化排气管密封容器。
最后，通过Y方向配线62、X方向配线63，在各个元件，即电极2、3之间施加25V，脉冲宽度1msec，脉冲间隔10msec的双极性矩形脉冲进行电压施加工序。用该工序在电极2附近的碳膜4’上形成间隙5，制作本实施例的电子源以及图象显示装置。
在以上完成的图象显示装置中，把X方向配线作为施加扫描信号的扫描配线，把Y方向配线62作为施加与上述扫描信号同步的调制信号的信号配线，在所希望的电子发射元件上施加22V的电压，进行线顺序驱动，与此同时，通过高压端子103在金属壳上施加8kV的电压，由此可以长时间显示没有亮度不均，均匀性良好的图象。
在本实施例中制成在图16中模式化的电子发射元件。用图16以及图17叙述该制造方法。
(工序1)作为基板1使用石英玻璃，用纯水、有机溶剂等充分洗净它，用阴极溅镀法堆积白金30nm。其后，用在形成元件电极3的区域上具有开口部的掩膜，进一步堆积50nm的白金。接着，在形成电极2、3的形状的抗蚀剂图案后进行干蚀刻，由此形成元件电极2、3。由此，形成元件电极2的厚度为30nm，元件电极3的厚度为80nm的非对称的元件电极对2、3(图17(a))。进而，元件电极2、3之间的间隔是10μm。
(工序2)在以上制作的带元件电极的基板上，用旋转涂料器旋转涂布用溶解3％的三乙醇胺的N-甲基吡咯烷酮溶剂稀释作为芳香族聚酰亚胺的母体的聚酰亚胺酸(日立化成工业(株)制造PIX-L110)溶液后的溶液。其后，在真空中以350℃加热，由此进行亚胺化。这时的聚酰亚胺的膜厚度是30nm。
用光刻技术，在跨越元件电极2、3的300μm的四角形状上形成该聚酰亚胺膜，制成所希望形状的高分子膜4(图17(b))。
(工序3)以下，把形成有元件电极2、3、高分子膜4的基体1放置在安装有电子枪的真空容器内，在进行充分的排气后，用加速电压Vac＝10kV在高分子膜4的全面上照射电子束进行“低电阻化处理(图17(c))。
这时，监视元件电极2、3之间的电阻，在电阻刚减少到1kΩ时停止电子束照射。另外，通过喇曼分光分析，可知把实施了该低电阻化处理的聚酰亚胺膜改质为包含石墨成份的碳膜4’。
(工序4)以下，在图12所示的真空装置内，使形成有元件电极2、3、碳膜4’的基板1移动，在元件电极2、3之间，通过以脉冲宽度1msec、脉冲间隔10msec，连续施加脉冲波峰值是8V的矩形脉冲，在碳膜4’上形成间隙5(图17(d))。
通过以上工序，制作本实施例的电子发射元件。
以下，在图12所示的真空装置内，一边在阳极电极54上施加1kV的电压，一边在本实施例的电子发射元件的元件电极2、3之间，施加20V的驱动电压，测定此时流过的元件电流If以及发射电流Ie，结果是If＝0.6mA，Ie＝4.2μA，电子发射特性相对施加电压的极性是非对称的，如果用负的极性在元件电极2一侧施加电压，则与该反极性相比只流过1/10左右的电流。如果把电极2设置为正驱动，则即使长时间驱动也可以稳定地维持电子发射特性。
最后，切出本实施例的电子发射元件的断面，用透过型电子显微镜(TEM)观察断面，结果是间隙5被形成在元件电极2的电极一侧。
在本实施例中如图18所示，把电极2的端部形成锥形，制成电子发射元件。以下说明制作方法。
作为基板1使用石英玻璃基板，用纯水、有机溶剂等充分洗净它。其后，用阴极溅镀法在基板1上堆积白金50nm，在形成元件电极2的区域上形成抗蚀剂图案后进行于蚀刻，形成元件电极2。接着，在形成电极3的区域上形成具有开口不的抗蚀剂图案后，通过用阴极溅镀法堆积白金50nm离地，形成元件电极3。
用FE-SEM观察形成有用和上述方法同样的方法制造的元件电极2、3的基板1的断面，其结果是元件电极2的侧面和基体面所成的角度，和元件电极3的侧面和基体面所成的角度不同。通过FE-SEM像的观察，元件电极2的侧面和基体面所成的角度θ1是约60度，元件电极3的侧面和基体面所成的角度θ2是约90度。
如上所述，形成了形状是非对称的元件电极对2、3。进而，元件电极2、3之间的间隔是10μm。
其后，和实施例8的(工序2)～(工序4)一样，进行高分子膜4的形成，“低电阻化处理”、间隙5的形成，制成了本实施例的电子发射元件。
在本实施例中，在把施加在电极2上的电位设定为比施加在元件电极3上的电位还高进行电压施加时，可以得到良好的电子发射特性。
最后，切出本实施例的电子发射元件的断面，用透过型电子显微镜(TEM)观察断面，结果是间隙5被形成在元件电极2和基板1的边界附近。
在本实施例中，制成图26中模式化展示的图象形成装置100。作为电子发射元件102，使用用图16以及图17已记述的制造方法制造的电子发射元件。使用图19至图25、图26、图27，叙述本实施例的图象形成装置的制作方法。
图25模式化放大展示由背板，和背形成在其上的多个电子元件，以及用于向多个电子发射元件施加信号的配线的电子源的一部分。1是背板，2、3是电极，5是间隙，4’是以碳为主要成份的导电性膜(碳膜)，62是X方向配线，63是Y方向配线，64的层间绝缘层。
图26中，和图25和一样的符号，表示同一部件。71是在玻璃基板上，积层荧光体膜74和由Al构成的金属壳73的平板。72是支撑框架，用背板1、平板71、支撑框架72形成真空密闭容器。
以下，用图19至图25、图26、图16说明本实施例。
(工序1)作为基板1使用石英玻璃，用喷镀法堆积厚度30nm的白金。其后，用在形成元件电极3的区域上具有开口部的抗蚀剂图案，进一步堆积100nm的白金。接着，在形成电极2、3的形状的抗蚀剂图案后进行干蚀刻，由此形成元件电极2、3。用以上的方法，形成元件电极2的厚度为30nm，元件电极3的厚度为130nm的非对称的元件电极对2、3(图19)。进而，元件电极2、3之间的电极间隔是10μm。
(工序2)以下，用丝网印刷法印刷Ag膏，通过加热烧制，形成X方向配线62(图20)。
(工序3)接着，在X方向配线62和Y方向配线63的交叉部的位置上，用丝网印刷法印刷绝缘性膏，通过加热烧制形成绝缘层64(图21)。
(工序4)进而，用丝网印刷法印刷Ag膏，通过加热烧制，形成Y方向配线63，在基体1上形成矩阵配线(图22)。
(工序5)在如上述那样跨过形成有矩阵配线的基体1的电极2、3之间的位置上，用喷射法，以电极间的中央为中心，涂布把聚酰亚胺的母体的2％的聚酰亚胺酸，和3％的三乙醇胺溶解在N-甲基吡咯烷酮溶剂中的溶液。把它在真空下在350℃烘干，得到直径约100μm、膜厚度300nm的圆柱的聚酰亚胺膜的高分子膜4(图23)。
(工序6)以下，把形成有由Pt组成的电极2、3、矩阵配线62、63、由聚酰亚胺膜组成的高分子膜4的背板1放置在台上。而后，在各个高分子膜4的全区域上照射Q开关脉冲NdYAG激光(脉冲宽度100nsec，重复频率10kHz，光束直径5μm)的第2高次谐波(SHG)。用该工序，进行各个聚酰亚胺膜6’的低电阻化处理。另外，通过喇曼分光分析，可知把实施了该低电阻化处理的聚酰亚胺膜改质为包含石墨成份的碳膜4’。
(工序7)用烧结玻璃把支撑框架72和隔板101粘接在以上制成的背板1上。而后相对配置粘接有隔板和支撑框架的背板1，和平板71(使形成有荧光体膜74和金属壳73的面，和形成配线62、63的面相对)(图27(a))。进而，在和平板71上的支撑框架72的接触部分上，预先涂布烧结玻璃。
(工序8)以下，在10-6Pa的真空氛围中，加热及加压相对的平板71和背板1进行密封(图27(b))。可以通过该工序得到维持内部高真空的气密性的气密容器。进而，在荧光体膜74上使用把3原色(RGB)的各颜色荧光配置成矩阵形状的结构。
最后，通过X方向配线、Y方向配线，在各电极2、3之间施加8V，脉冲宽度1msec，脉冲间隔10msec的矩阵脉冲，由此在碳膜4’上形成间隙5(参照图25)，制作本实施例的图象形成装置100。
在以上完成的图象形成装置中，把施加与扫描信号同步的调制信号的X方向配线62作为信号配线，把施加扫描信号的Y方向配线63作为扫描配线进行线顺序驱动。此时，在所希望的电子发射元件上施加20V电压，通过高压端子Hv在金属壳73上施加8kV的电压。其结果，可以在长时间显示不均匀少的明亮良好的图象。
在本实施例中，改变实施例10的工序1和工序5。因为其他工序和实施例10一样，所以在此只说明工序1和工序5。以下用图29等说明本实施例。进而，在图29中，左侧的图，是在本实施例中的电子发射元件的制成工序的断面示意图，右侧的各图，与左侧的平面图对应。
(工序1)用洗净剂、纯水以及有机溶剂等充分洗净有玻璃构成的基体1，在用阴极溅镀法堆积作为电极材料的Pt后，使用光刻技术在基体1上形成电极2、3(图29(a))。
(工序5)在形成有矩阵配线的基板1上，用旋转涂料器在整个面上旋转涂布用溶解有3％的三乙醇胺的N-甲基吡咯烷酮溶剂稀释作为芳香族聚酰亚胺的母体的聚酰亚胺酸(日立化成工业(株)制造PIX-L110)溶液，在真空条件下升温到350℃烘干，进行亚胺化。其后，涂布光敏抗蚀剂8(图29(c))，实施曝光(图省略)，现象(图29(d))，蚀刻(图29(e))的各工序，由此把聚酰亚胺膜图案形成为跨越元件电极2、3的台阶形状，制成台阶形状的高分子膜4(图29(f)以及图30)。这时的聚酰亚胺膜4的膜厚度是30nm。另外，把电极2一侧的连接长度设置为50μm，把电极3一侧的连接长度设置为85μm。
在本实施例中制成的图象显示装置中，把施加与扫描信号同步的调制信号的X方向配线62作为信号配线，把施加扫描信号的Y方向配线63作为扫描配线进行线顺序驱动。此时，在所希望的电子发射元件上施加20V的电压，通过高压端子Hv在金属壳73上施加8kV的电压。其结果，可以长时间显示亮度良好的图象。进而，如图31所示，各间隔5，全部偏向电极2的端部(边缘)配置。
在本实施例中，改变实施例10的工序1和工序5。因为其他工序和实施例10一样，所以在此只说明工序1和工序5。以下用图32等说明本实施例。
(工序1)在玻璃基板1上，用喷镀法堆积厚度100nm的Pt膜，用光刻技术形成由Pt膜构成的电极2、3(图32(a))。进而，电极2、3的电极间距离是10μm。
(工序5)在跨越形成有矩阵配线的基体1的电极2、3之间的位置上，用喷射法，以从电极间的中央偏向电极3一侧40μm的位置为中心，涂布把作为聚酰亚胺的母体的2％的聚酰亚胺酸，和3％的三乙醇胺溶解在N-甲基吡咯烷酮溶剂中的溶液的液滴4(图32(b)以及图33)。把它在真空下，以350℃烘干，得到由直径约100μm，膜厚度300nm的圆形的聚酰亚胺膜构成的高分子膜4(图32(c)以及图34)。
在本实施例中，为了把高分子膜4和一对电极2、3各自的连接设置为不同的状态，在从电极2、3之间的中心偏离任意的距离的位置上，给予高分子溶液或者高分子母液(图33(b))。从中心偏离的距离，通过勘察电极间距离、高分子膜4和电极2、3的连接长度，被给予的液滴、基板以及电极2、3的表面状态确定。
在本实施例中制成的图象形成装置中，把施加与扫描信号同步的调制信号的X方向配线62作为信号配线，把施加扫描信号的Y方向配线63作为扫描配线进行线顺序驱动。此时，在所希望的电子发射元件上施加20V的电压，通过高压端子Hv在金属壳73上施加8kV的电压。其结果，可以形成长时间明亮良好的图象。进而，如图35所示，各间隙5，全部偏向在电极2的端部(边缘)配置。
在本实施例中，改变实施例10的工序1和工序5。因为其他工序和实施例10一样，所以在此只说明工序1和工序5。以下用图36等说明本实施例。在图37中，左侧的图是本实施例中的电子发射元件的制成工序中的断面示意图，右侧的各图是左侧图的平面图。
(工序1)在玻璃基板1上，用喷镀法堆积厚度100nm的Pt膜，用光刻技术形成由Pt膜构成的电极2、3(图36(a))。进而，电极2、3的电极间距离是10μm。
(工序5)以下，进行使电极2的表面能量和电极3的表面能量不同的处理(图36(b))。而后，用喷射法，在电极2、3中央涂布把2％的聚酰亚胺酸，和3％的三乙醇胺溶解在N-甲基吡咯烷酮溶剂中的溶液(图36(c))，使得被给予的液滴跨越在电极2、3之间。而后，在真空下，以350℃烘干，得到由聚酰亚胺构成的高分子膜4(图36(d)以及图37)。
如果给予上述溶液，使其跨越相互表面能量不同的一对电极，则在表面能量低的电极上因为液滴难以扩散所以液滴的附着面积减小，另一方面，表面能量高的电极因为液滴容易扩散，所以可以扩大液滴的附着面积。因此，可以设置成高分子膜4和一对电极2、3各自的连接长度成不同的状态。进而，这时，位于电极2、3之间的位置上的基板1表面的表面能量，如果和表面能量高的一方的电极表面能量一致则更好。
设定电极2的表面能量，和电极3的表面能量的哪一方低(高)，要根据在间隙配置在哪一电极侧适宜地确定。
在本实施例中，在遮盖电极3上，通过碱性洗净电极2，可以把电极2的表面能量设置成比电极3的表面能量更低。进而，使电极2的表面能量和电极3的表面能量不同的方法，除了上述的方法以外，可以使用把一电极暴露在包含有机物的气体氛围的方法等的各种方法。
进而，通过改变电极2和电极3的组成，也可以改变电极2的表面能量和电极3的表面能量。具体地说，可以使用使构成电极2的材料和构成电极3的材料不同制成电极2、3的方法，和使构成电极2的材料的组成比率和构成电极3的材料的组成比率不同的方法等。
作为使构成电极2的材料的组成比率和构成电极3的材料的组成比率不同的方法，例如，可以使用在实际上用同一组成制成电极2和电极3后向一电极搀杂某种材料的方法。或者，另外，可以列举用实际上以同一组成制成电极2和电极3，从至少和一电极连接的部件，向与该部件连接的电极扩散包含在该部件中的材料的方法等。
为了在一电极上配置很多上述扩散电极，例如，可以列举①加热与一电极连接的上述部件的方法，和②如距离电极2和电极3之间的中心部的距离不同那样把上述部件连接配置在双方的电极上，加热双方的部件的方法，或者，③如电极2和上述部件的连接面积，和电极3和上述部件的连接面积不同那样，把上述部件连接配置在双方的电极上，加热双方的上述部件的方法等。
当使用上述扩散的方法的情况下，可以选择想要扩散的材料的标准电极电位(标准电极电位)，比想要扩散的电极的材料的标准电极电位(标准电极电位)还低。
例如，当是本实施例那样的电子源的形态的情况下，以Ag作为主要成份形成配线62和配线63，作为电极2、3的材料选择Pt。而后，在上述②的情况下，例如，如图39所示，将从电极2和电极3之间的中心位置到与各个电极连接的、包含想要扩散的材料(Ag)的配线(62，63)的距离(L1，L2)设置为分别不同。由此，可以使直到要配置高分子膜的电极2和电极3的端部的扩散距离不同。其结果，如果加热配线62、63，则可以使更多的Ag扩散到从配线到电极端部的距离近的电极2一方。
或者，在上述③的情况下，例如，如图39所示，只要设计成电极2和包含想要扩散的材料的配线62的接触面积，和电极3和包含想要扩散的材料的配线63的接触面积不同即可。而后进一步，如图39所示，如果同时满足上述②和③的方法，则可以得到进一步的效果。
另外在上述的例子中，展示了加热配线62和63双方的例子，但在本发明中，当然通过只加热与想要扩散的电极连接的配线也可以进行上述的扩散。
在本实施例中制成的图象形成装置中，把施加与扫描信号同步的调制信号的X方向配线62作为信号配线，把施加扫描信号的Y方向配线63作为扫描线进行线顺序驱动。此时，向所希望的电子元件施加20V的电压，通过高压端子Hv在金属壳73上施加8kV的电压。其结果，可以长时间形成明亮良好的图象。进而，如图38所示，各间隙5，全部偏向于电极2的端部(边缘)配置。
如果采用本发明，则在电极一侧的一定位置上形成电子发射部分，电子发射效率高，并且可以提供特性一致的电子发射元件。进而，用本发明的电子发射元件及其制造方法，可以制造排列多个电子发射元件的电子源或者图象显示装置，可以实现大面积均匀性良好画质的图象。另外，如果采用本发明的图象形成装置的制造方法，则在简化电子发射元件的制造工序的同时，可以便宜地制造均匀性优异、长期显示品位优异的图象形成装置。
权利要求
1.一种电子发射元件，包含(A)在基板表面上隔开配置的第1以及第2电极；(B)被配置在上述第1电极和第2电极之间的上述基体表面上、同时与上述第2电极连接的碳膜；(C)被配置在与上述第2电极连接的碳膜和上述第1电极之间的间隙，其特征在于在上述间隙中，上述碳膜的表面和上述第1电极的表面的间隔，从上述基体表面开始，在从上述基体表面离开的上方变窄，以及在上述间隙内，至少露出上述第1电极的表面的一部分。
2.权利要求1所述的电子发射元件，其特征在于在上述第1电极上配置碳膜。
3.权利要求2所述的电子发射元件，其特征在于在上述间隙内，配置上述第1电极和被配置在上述第1电极上的碳膜的界面。
4.权利要求2所述的电子发射元件，其特征在于在通过上述第1电极和第2电极、相对上述基体表面实际上垂直的平面上，上述第1电极上的碳膜距离上述基体表面的高度比与上述第2电极连接、被配置在上述第1电极和上述第2电极之间的上述基体表面上的碳膜距离上述基体表面的高度要高。
5.一种电子发射元件，包含(A)被配置在基体表面上的第1电极以及第2电极；(B)被配置在上述第1电极和第2电极之间的上述基体表面上的碳膜，其一方的端部覆盖上述第1电极的一部分，另一方的端部覆盖上述第2电极的一部分，具有间隙，其特征在于在上述间隙内露出了上述第1电极的表面，以及上述间隙的宽度从上述基体表面开始、在从上述基体表面离开的上方变窄。
6.权利要求5所述的电子发射元件，其特征在于位于上述第1电极上的上述碳膜的一部分和上述第1电极的界面被配置在上述间隙内。
7.一种电子发射元件，包含(A)在基板表面上隔开配置的第1以及第2电极；(B)在被配置在上述第1电极和第2电极之间的上述基体表面上的碳膜，其一方的端部覆盖上述第2电极的一部分；(C)至少用上述碳膜的另一方的端部和上述第1电极限定其一部分的间隙。
8.权利要求7所述的电子发射元件，其特征在于上述碳膜的另一方的端部和上述第1电极的间隔，从上述基体表面开始，在从上述基体表面离开的上方变窄。
9.权利要求7或8所述的电子发射元件，其特征在于在上述第1电极上配置碳膜。
10.权利要求9所述的电子发射元件，其特征在于在通过上述第1电极和第2电极、相对上述基体表面实际上垂直的平面上，上述第1电极上的上述碳膜距离上述基体表面的高度，比覆盖上述第2电极的一部分、被配置在上述第1电极和上述第2电极之间的上述基体表面上的碳膜距离上述基体表面的高度要高。
11.权利要求9所述的电子发射元件，其特征在于上述第1电极上的碳膜和上述第1电极的界面被配置在上述间隙内。
12.一种电子发射元件，包含(A)被配置在基体表面上的第1电极以及第2电极；(B)被配置在上述第1电极和第2电极之间的上述基体表面上的碳膜，其一端部覆盖上述第1电极的一部分，另一端覆盖上述第2电极的一部分，具有间隙，其特征在于在上述间隙内，露出了上述第1电极的表面。
13.权利要求12所述的电子发射元件，其特征在于被配置在上述第1电极上的那部分碳膜的和上述第1电极的界面从上述间隙内露出。
14.一种电子发射元件，包含，(A)被配置在基体表面上的第1以及第2电极；(B)被配置在上述第1电极和第2电极之间的上述基体表面上的碳膜，其一方的端部覆盖上述第2电极的一部分，(C)上述碳膜的另一端部，和上述第1电极，隔着空隙互相相对。
15.权利要求14所述的电子发射元件，其特征在于上述碳膜的另一端部从上述基体表面上离开。
16.权利要求14所述的电子发射元件，其特征在于在上述第1电极上配置碳膜。
17.权利要求16所述的电子发射元件，其特征在于在通过上述第1电极和第2电极、相对上述基体表面实际上垂直的平面上，上述第1电极上的碳膜距离上述基体表面的高度比覆盖上述第2电极的一部分、被配置在上述第1电极和上述第2电极之间的上述基体表面上的碳膜距离上述基体表面的高度要高。
18.权利要求1、5、7、12中任一项所述的电子发射元件，其特征在于位于上述间隙内的上述基体表面的至少一部分是凹形状。
19.权利要求1、5、7、12中任一项所述的电子发射元件，其特征在于在上述间隙上配置多个上述电子发射部分。
20.权利要求1、5、7、12、14中任一项所述的电子发射元件，其特征在于通过在上述第1电极和第2电极之间施加电压，根据施加在上述第1电极和第2电极之间的电场的方向，表现非对称的电子发射特性。
21.权利要求1、5、7、12中任一项所述的电子发射元件，其特征在于上述间隙在上述第1电极和上述第2电极的连接方向上的宽度是50nm以下。
22.权利要求1、5、7、12中任一项所述的电子发射元件，其特征在于上述间隙在上述第1电极和上述第2电极的连接方向上的宽度是10nm以下。
23.权利要求1、5、7、12中任一项所述的电子发射元件，其特征在于上述间隙在上述第1电极和上述第2电极的连接方向上的宽度是5nm以下。
24.一种电子源，其特征在于在基体上配置多个如权利要求1、5、7、12、14中任一项所述的电子发射元件。
25.一种图象显示装置，其特征在于具有权利要求24所述的电子源，和发光部件。
26.一种电子发射元件的制造方法，具有以下步骤(A)在基体上配置一对电极和连接所述电极之间的高分子膜；(B)低电阻化处理上述高分子膜；(C)在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，其特征在于通过使电流经由上述一对电极、在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上流过时，把在一方电极的端部附近产生的焦耳热设定得比在另一方的电极端部附近产生的焦耳热要高而形成上述间隙。
27.一种电子发射元件的制造方法，具有以下步骤(A)在基体上形成一对电极和连接所述电极之间的高分子膜，使得上述一对电极中的一个电极和上述高分子膜的接触电阻不同于上述一对电极中的另一电极和上述高分子膜的接触电阻；(B)低电阻化处理上述高分子膜；(C)在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，其特征在于通过使电流经由上述一对电极、流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成上述间隙。
28.一种电子发射元件的制造方法，具有以下步骤(A)在基体上配置一对电极和通过覆盖该一对电极的各自的一部分来连接该一对电极之间的高分子膜；(B)低电阻化处理上述高分子膜；(C)在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，其特征在于形成上述高分子膜，使其为覆盖上述一对电极中的一个电极的一部分上的阶梯状覆盖层和覆盖上述一对电极中的另一个电极的一部分的部分上的阶梯状覆盖层，所述两个阶梯形覆盖层不相同；以及上述间隙是通过经由上述一对电极、使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
29.一种电子发射元件的制造方法，包含以下步骤(A)在上述基体上，配置一对电极和连接这对电极间的高分子膜，使得由上述一对电极中的一个电极和上述高分子膜构成的形状和用上述一对电极中的另一个电极和上述高分子膜构成的形状不同；(B)低电阻化处理上述高分子膜；(C)在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜中形成间隙，其特征在于上述间隙是通过经由上述一对电极、使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
30.一种电子发射元件的制造方法，包含以下步骤(A)在基体上形成相互形状不同的一对电极，和连接该对电极间的高分子膜；(B)低电阻化处理上述高分子膜；(C)在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，其特征在于上述间隙是通过经由上述一对电极、使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
31.权利要求26、29、30中任一项所述的电子发射元件的制造方法，其特征在于以相互不同的大小形成上述一对电极。
32.权利要求26至30中任一项所述的电子发射元件的制造方法，其特征在于上述一对电极形成相互不同的厚度。
33.权利要求26至30中任一项所述的电子发射元件的制造方法，其特征在于形成上述一对电极，使得上述一对电极中的一方的电极的侧面和上述基体面所成的角度与上述一对电极中的另一方的电极的侧面和上述基体面所成的角度不同。
34.一种电子发射元件的制造方法，包含以下步骤(A)在基体上，配置材料相互不同的一对电极，和连接该对电极间的高分子膜；(B)低电阻化处理上述高分子膜；(C)在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，其特征在于上述间隙是通过经由上述一对电极、使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
35.一种电子发射元件的制造方法，包含以下步骤(A)在基体上配置表面能量相互不同的一对电极；(B)配置连接被配置在上述基体上的上述一对电极之间的高分子膜；(C)低电阻化处理上述高分子膜；(D)在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，其特征在于连接上述电极间的高分子膜，是通过把构成该高分子膜的高分子的溶液或者其母液涂布在上述基体上，加热被涂布有该溶液的上述基体形成的，以及上述间隙是通过经由上述一对电极、使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
36.一种电子发射元件的制造方法，包含以下步骤(A)在基体上配置组成相互不同的一对电极；(B)形成连接被配置在上述基体上的上述一对电极间的高分子膜；(C)低电阻化处理上述高分子膜；(D)在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，其特征在于连接上述电极间的高分子膜，是通过把构成该高分子膜的高分子的溶液或者其母液涂布在上述基体上，加热被涂布有该溶液的上述基体形成的，以及上述间隙，是通过经由上述一对电极，使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
37.权利要求34至36中任一项所述的电子发射元件的制造方法，其特征在于上述一对电极是通过在实际上由同样材料构成的一对导电性部件中的一方中添加和上述导电性部件不同的材料而形成的。
38.权利要求34至36中任一项所述的电子发射元件的制造方法，其特征在于把实际上由同样材料构成的一对导电部件中的至少一方和由标准电极电位比构成上述导电性部件的材料低的材料组成的部件连接起来，并至少加热由标准电极电位比构成上述导电性部件的材料低的材料构成的部件形成上述一对电极。
39.一种电子发射元件的制造方法，包含以下步骤(A)在基体上配置一对电极和连接该电极间的高分子膜，使得上述一对电极中的一个电极和上述高分子膜的连接长度与上述一对电极中的另一个电极和上述高分子膜的连接长度不同；(B)低电阻化处理上述高分子膜；(C)在通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜上形成间隙，其特征在于上述间隙是通过经由上述一对电极、使电流流过通过低电阻化处理上述高分子膜得到的膜形成的。
40.权利要求39所述的电子发射元件的制造方法，其特征在于上述连接长度是上述高分子在上述一对电极的端部和上述电极的各自连接的长度。
41.权利要求39所述的电子发射元件的制造方法，其特征在于上述连接长度是通过连接上述一对电极各自与上述高分子膜、上述基体而形成的部分的长度。
42.一种电子发射元件的制造方法，包含以下步骤(A)在基体上配置一对电极和连接该一对电极间的高分子膜；(B)对上述高分子膜接近上述一对电极中一个电极的区域低电阻化处理，使其比接近另一电极的区域电阻低；(C)通过使电流流过经低电阻化处理上述高分子膜得到的膜，在其一部分上形成间隙。
43.权利要求26至30、35至37、39、42中任一项所述的电子发射元件的制造方法，其特征在于形成上述高分子膜的工序是通过使用喷射法、给与构成上述高分子膜的高分子溶液，或者给予构成上述高分子膜的高分子的母体的溶液进行的。
44.权利要求26至30、35至37、39、42中任一项所述的电子发射元件的制造方法，其特征在于上述低电阻化处理工序是通过对上述高分子膜照射粒子束或者光进行的。
45.权利要求44所述的电子发射元件的制造方法，其特征在于上述粒子束是电子束。
46.权利要求44所述的电子发射元件的制造方法，其特征在于上述粒子束是离子束。
47.权利要求44所述的电子发射元件的制造方法，其特征在于上述粒子束是激光束。
48.一种在基板上配置有多个电子发射元件的电子源的制造方法，其特征在于所述电子发射元件是用权利要求26至30、34至36、39、42中任一项所述的方法形成的。
49.一种图象形成装置的制造方法，所述图像形成装置具备具有多个电子发射元件的电子源和由从该电子源发射的电子的照射形成图象的图象形成部件，其特征在于所述电子源用权利要求48所述的方法制造。
全文摘要
为了在实现电子发射效率高且特性一致的电子发射元件的同时，抑制使用同一元件的电子源、图象显示装置的显示的不均匀，以显示均匀良好画质的图象，本发明提出具有以下特征的电子发射元件，以及使用同一元件的电子源、图象显示装置，即，在基体1表面上具有隔开配置的电极2、3，以及配置在它们之间、与电极3连接的碳膜4’，在该碳膜4’和电极2之间配置间隙5，在间隙5中与电极3连接的碳膜4’的表面和电极2的表面的间隔，从基体1的表面开始向上方变窄。
文档编号H01J1/316GK1463017SQ02158829
公开日2003年12月24日 申请日期2002年12月25日 优先权日2001年12月25日
发明者教学正文, 水野祐信, 浜元康弘, 宫崎和也 申请人:佳能株式会社