JPH07147132A - 含浸形陰極の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】活性化時間が短く、再現性の良い含浸形陰極を
提供する。 【構成】被覆膜を、タングステン金属またはモリブデン
金属と、スカンジウム金属をスパッタターゲットとした
スパッタ成膜法で形成する。 【効果】被覆膜中にスカンジウムが、ほとんど金属状態
で取り込まれ、陰極最表面に供給するスカンジウムを生
成する、スカンジウム酸化物の還元反応がなくなり、活
性時間が短く、再現性のよいＳｃ被覆型含浸陰極が作製
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はブラウン管，撮像管等の
陰極線管に好適な含浸形陰極、特に、良好な電子放出特
性を発現させるためのスカンジウムを含む表面被覆膜層
を有する含浸形陰極に係り、特に、被覆膜の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】含浸形陰極は高電流密度動作が可能な陰
極であり、電子管の高出力化、特にブラウン管では高輝
度化，高精細化のために欠くことのできない陰極であ
る。含浸形陰極の基本構成は、タングステンからなる耐
熱多孔質基体に、ＢａＯを主体に、他にＡｌ₂Ｏ₃やＣａ
Ｏを水素雰囲気中又は真空中で加熱溶融し、含浸させた
ものである。この溶融含浸した物質を、一般に含浸剤と
称する。

【０００３】含浸形陰極は動作時に、常に１０００℃程
度に加熱されており、耐熱多孔質基体と含浸剤は反応
し、Ｂａを遊離する。Ｂａは拡散により陰極表面に供給
され、同様に陰極内部または電子管内部雰囲気中から供
給されたＯと共に、陰極表面、つまり、タングステン基
体上に吸着する。このように、金属表面にＢａとＯから
成る吸着層が形成されると、金属表面の仕事関数が実質
的に引き下げられ、電子放出が容易となる。これが、含
浸形陰極の動作原理であり、これに対する詳細な考察
は、例えば、ジャーナル・オブ・フィジックス Ｄ：ア
プライド・フィジックス，第１５巻(１９８２年)第１５
１９頁から第１５２９頁(J. Phys. D：Appl.Phys.,15(1
982)1519−1529）に記載されている。

【０００４】含浸形陰極は電子放出部分が基本的に金属
であるため電気的な抵抗が小さい。そのため含浸形陰極
は、アルカリ土類金属炭酸塩を原材料とする電気的に高
抵抗な酸化物カソードのような、ジュール発熱による陰
極材料自体の分解に起因する陰極劣化は生じない。従っ
て、含浸形陰極は、酸化物陰極に比較し高電流密度動作
が可能である。

【０００５】しかし、含浸形陰極は、高電流密度動作が
可能な反面、動作温度が酸化物陰極のおよそ７５０℃に
比較して、より高温で動作させる必要がある。前述の基
本構成の含浸形陰極の場合、１０Ａ／cm² の電流密度を
得るためにはおよそ１１００℃に加熱する必要がある。

【０００６】このため、含浸形陰極の改良は、この動作
温度を低下させることを目的に行なわれている。例え
ば、前述の基本構成の含浸形陰極の表面にオスミウムを
被覆した含浸形陰極が開発され、その動作温度はおよそ
１０００℃に低下した。これに関しては、アイ，イー，
イー・プロシーディング，第１２８巻，パート１，ナン
バー１（１９８１年）第１９頁から第３２頁（IEE Pro
c.,128，Pt1，No1(1981)19-32）に記載されている。

【０００７】さらに、タングステンやモリブデン等の高
融点金属と共に、スカンジウムを含む薄膜を被覆した含
浸形陰極は、９００℃で前述の電流密度動作が可能であ
る。本文中では以後、これをＳｃ被覆型含浸形陰極と記
述するが、これに関しては、米国特許第4,626,470 号、
ならびにジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド
・フィジックス，第２７巻，ナンバー８(1988年)第１４
１１頁から第１４１４頁（Jpn. J. Appl. Phys.28,No.8
(1988)1411−1414）に記載されている。

【０００８】Ｓｃ被覆型含浸形陰極の被覆膜は、被覆膜
の高融点金属をタングステンに選んだ場合、スパッタ成
膜法により、タングステン金属と酸化スカンジウムやタ
ングステン酸スカンジウムで構成されるスパッタターゲ
ットを用いて成膜している。スパッタターゲットを用い
て成膜した被覆膜は、成膜時はタングステン，スカンジ
ウム，酸素を含む非結晶膜である。これを約８００℃以
上に加熱すると、タングステン金属とタングステン酸ス
カンジウムが結晶化する。そして、陰極の活性化のため
に、さらに１０００℃以上に陰極を加熱すると、バリウ
ム酸化物を含んだタングステン多孔質部より被覆膜にバ
リウムが供給され、これがタングステン酸スカンジウム
や他のスカンジウム酸化物を還元し、スカンジウムを生
成すると推定される。そして、生成したスカンジウムお
よび、還元反応に用いられなかった他のバリウムが、酸
素とともに陰極の最表面に単分子層を形成し、仕事関数
が低下し良好な電子放出を可能とすると考えられる。こ
れらに関してはジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプ
ライド・フィジックス，第２７巻，ナンバー３（１９８
９年）第４９０頁から第４９４頁（Jpn. J. Appl. Phy
s.28,No.3(1989)490−494）に記載されている。

【０００９】このように、Ｓｃ被覆型含浸形陰極の良好
な電子放出特性を発現させるためには、単分子層を形成
する原子状のスカンジウムが必要であり、この生成には
従来は還元反応が必要であった。そのため、Ｓｃ被覆型
含浸形陰極の活性化には、１１５０℃の温度で５時間か
ら１０時間の加熱が必要である。また、陰極の電子放出
特性を安定に再現性良く得るためには、被覆膜の形成で
その被覆膜に含まれる酸素量を調整する必要がある。被
覆膜に含まれる酸素量は、スパッタ時にスカンジウム酸
化物の分解が生ずるため、スパッタ成膜条件であるスパ
ッタガス圧力，ガス流量，スパッタパワーに依存する。
また、スカンジウムの酸化物は粉末であるため、プレス
成形して高密度にしても、大気露出時に気孔部に水や大
気成分を含みやすく、スパッタ時にそれらが放出しスパ
ッタ条件が変化しやすい。以上のことは、被覆膜の高融
点金属をモリブデンとした場合でも同様である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、含浸
形陰極の動作温度を低下させる目的で、スパッタ成膜法
で形成されたスカンジウムを含む被覆膜は、被覆膜原料
であるスパッタターゲットとして、従来はスカンジウム
酸化物を用いていた。そのため、活性化にスカンジウム
酸化物の還元反応を起こす必要が有り、活性化に長時間
を要した。また、スパッタ条件で、被覆膜中の酸素量が
変化しやすく、電子放出特性を良好に再現することが難
しかった。

【００１１】本発明の目的は、Ｓｃ被覆型含浸形陰極
で、良好な電子放出特性を再現性良く発現させ、かつ活
性化時間を短縮することにあり、そのための製造方法を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題は、以下の解決
手段により達成することができる。すなわち、本発明の
Ｓｃ被覆型含浸形陰極の製造方法は、被覆膜をスパッタ
成膜法により形成し、そのスパッタターゲットとしてス
カンジウム金属と、タングステン金属またはモリブデン
金属を用いることを特徴とする。

【００１３】

【作用】前述した通り、スパッタターゲットとして、酸
化スカンジウムまたはタングステン酸スカンジウム等の
スカンジウム酸化物を用いた場合、被覆膜中のスカンジ
ウムはスカンジウム酸化物となる。これに対し、スパッ
タターゲットとしてスカンジウム金属を用いた場合、被
覆膜中に含まれるスカンジウムは、ほとんど金属状態で
取り込まれる。従って、活性化時にスカンジウム酸化物
の還元反応を必要とせず、また、スパッタ条件で膜中に
含まれる酸素量が変化することもなく、良好な電子放出
特性を再現性良く得ることができる。

【００１４】

【実施例】図１に、本発明のＳｃ被覆型含浸形陰極の被
覆膜の作製方法の実施例を示す。同図は、スパッタ装置
内での、試料（基本型含浸形カソード）およびスパッタ
ターゲットの配置、およびスパッタターゲットの構成を
模式的に示している。

【００１５】Ｓｃ被覆型含浸形陰極は、基本構成である
基本型含浸形陰極１の上面に、ＷとＳｃを含む被覆膜を
形成したものである。基本型含浸形陰極１は、タングス
テン粉末をプレス，焼結したのち、ＢａＯを主体とする
酸化物つまり含浸剤を含浸したものである。本実施例で
は、含浸剤として、ＢａＯ，ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃を４：
１：１に混合したものを用いた。そして、この含浸剤
を、水素雰囲気中で1900℃に加熱溶融し、タングステン
の焼結体つまり多孔質体に含浸した。本実施例で用いた
基本型含浸形陰極の大きさ及び形状は、直径１.２mm，
厚さ０.４mmの円筒状のペレットである。

【００１６】本実施例では、この膜をスパッタ成膜法を
用いて被覆し、このときスパッタターゲットとして、タ
ングステン金属板２の上にスカンジウム金属の小片３を
配置したものを用いた。被覆膜中のスカンジウムの組成
はスカンジウム金属小片３の数を増減することで調整で
きる。スパッタガスにはアルゴンを使用した。本実施例
では、被覆膜のスカンジウムは約２０ａｔ％に調整し、
膜厚は約１００ｎｍとした。そして、真空容器中で１１
５０℃加熱による活性化を行い放出電流およびその加熱
変化を測定した。

【００１７】図２に、本実施例の含浸形陰極の電子放出
特性を、図４に示す従来方法の、タングステン金属２２
とスカンジウム酸化物３２を用いたスパッタターゲット
で成膜した陰極の特性と比較して示す。横軸は真空容器
中での１１５０℃での加熱時間であり、縦軸は８５０℃
での放出電流量である。測定は、陽極を陰極から７mm離
して配置し、陽極に４ｋＶの電圧を印加して行った。図
２より、従来の成膜方法で作製した陰極８は活性化に約
８時間程度要したが、本実施例のスパッタターゲットを
用いて被覆膜を作製した陰極７では約２時間で活性化
し、良好な電子放出特性を発現することが分かる。図２
は本実施例で作製した陰極の代表例であるが、その電子
放出特性の再現性は非常に良いものである。

【００１８】図３は、本発明の製造方法におけるスパッ
タターゲット構成の、他の実施例を示すものである。こ
の実施例ではスパッタターゲットは、別々のタングステ
ン金属ターゲット２１とスカンジウム金属ターゲット３
１で構成される。被覆膜中のスカンジウムの組成は、各
々のターゲットにかかるパワーを調整することにより、
または、タングステンとスカンジウムのスパッタを交互
に行い各々のスパッタ時間を加減すること等により、調
整可能である。

【００１９】上述の実施例では、含浸剤として、Ｂａ
Ｏ，ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃を４：１：１に混合したものを用
いたが、これは５：３：２や他の組成のものでも同様の
効果を示すことは明らかである。さらに、被覆膜の構成
要素としてスカンジウム以外には、タングステンを用い
て説明したが、これは単分子層吸着により仕事関数が低
下し、かつ、１１５０℃以上の高温度に長時間耐えうる
金属であれば良く、モリブデンもタングステンと同様に
用いることができうる。さらに、モリブデンとタングス
テンの両方を含んでいても問題なく、従って、上述の実
施例で図示したタングステンターゲットはモリブデン金
属、あるいはモリブデン金属とタングステン金属の混在
物または合金であっても良い。

【００２０】

【発明の効果】本発明の含浸形陰極の製造方法に従え
ば、Ｓｃ被覆型含浸陰極の活性化時間を短縮し、スパッ
タ条件に敏感に依存することなく、電子放出特性の再現
性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の含浸形陰極の製造方法のスパッタター
ゲットの説明図。

【図２】本発明に従って作製したＳｃ被覆型含浸陰極の
電子放出特性の加熱時間依存性を示す説明図。

【図３】本発明の他の実施例のスパッタターゲットの説
明図。

【図４】従来例の製造方法におけるスパッタターゲット
の説明図。

【符号の説明】

１…基本型含浸形陰極、２…タングステン金属又はモリ
ブデン金属、又はこれらの混在物あるいは合金、３…ス
カンジウム金属、４…イオン化したスパッタガスの流
れ、５…スパッタガスの衝突によりたたき出されたター
ゲット材料。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 楠 敏明 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 成清 正 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 山田 絵実子 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多孔質タングステン基体にバリウムを含む
   酸化物を含浸させたいわゆる含浸形陰極の電子放出面
   に、タングステンおよび／またはモリブデンと、スカン
   ジウムを含む被覆膜を有する被覆型含浸形陰極におい
   て、前記被覆膜の形成を、タングステン金属とモリブデ
   ン金属の一方または両方と、スカンジウム金属で構成さ
   れたスパッタターゲットを用いて、スパッタ成膜法によ
   り形成することを特徴とする含浸形陰極の製造方法。