JP2006080021A - Electron emitting element, and manufacturing method of electron emitting element - Google Patents
Electron emitting element, and manufacturing method of electron emitting element Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006080021A JP2006080021A JP2004265228A JP2004265228A JP2006080021A JP 2006080021 A JP2006080021 A JP 2006080021A JP 2004265228 A JP2004265228 A JP 2004265228A JP 2004265228 A JP2004265228 A JP 2004265228A JP 2006080021 A JP2006080021 A JP 2006080021A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electron
- support substrate
- emitting device
- film layer
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
Description
本発明は、小型X線発生装置や、その他電子放出を利用する機器に用いられる電子放出素子、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a small X-ray generator, an electron-emitting device used for other devices that use electron emission, and a manufacturing method thereof.
X線管は治療、レントゲン撮影、工業用の分析装置など様々な分野で利用されている。従来のX線管の電子放出素子としては、熱陰極管を用いたものがその主流をなしていたが、電子放出源にフィラメントを用いるため、電子放出源のサイズが大きくなり、結果として電子をターゲットに当ててX線を発生させるときに電子ビーム径(焦点径)を小さくできなかった。昨今では、乳がんを早期発見するためにX線マンモグラフィ検査の導入の必要性がたびたび議論されているが、X線マンモグラフィに使用されるX線発生装置としては高分解能の画像を得るために0.1mm以下の焦点径サイズが必要とされている。X線は従来から診断用、治療用と多くの医療現場で使用されてきたが、熱陰極管を用いている限りはその大きさからX線マンモグラフィへの使用には限界があった。 X-ray tubes are used in various fields such as therapy, X-ray imaging, and industrial analyzers. Conventional electron-emitting devices for X-ray tubes have been the mainstream using hot cathode tubes. However, since a filament is used as the electron-emitting source, the size of the electron-emitting source is increased, resulting in the generation of electrons. The electron beam diameter (focal diameter) could not be reduced when X-rays were generated on the target. In recent years, the necessity of introducing an X-ray mammography examination has been frequently discussed in order to detect breast cancer at an early stage, but as an X-ray generator used for X-ray mammography, it is preferable to obtain an image of 0. A focal spot size of 1 mm or less is required. X-rays have been used in many medical fields such as diagnostics and treatments, but as long as a hot cathode tube is used, its use in X-ray mammography is limited.
以上の事情に鑑み、最近では熱電子放出源を持たない冷陰極を用いるX線管の開発が進められて来ている。これらは電子放出性に優れたカーボンナノチューブを用いるもの、突起を形成し、その先端部に電界を集中させて電子放出を行うもの(Spindt型)などがある。 In view of the above circumstances, recently, development of an X-ray tube using a cold cathode having no thermionic emission source has been advanced. These include those using carbon nanotubes with excellent electron-emitting properties, and those that form protrusions and concentrate an electric field at the tip to emit electrons (Spindt type).
従来技術として、たとえば図6に示すように、一部に異方性エッチングにより凹部を形成した単結晶シリコン基板41の型に、カーボンナノチューブまたはフラーレンを分散させたメッキ浴を用いて最初に無電解メッキを行い、次に電気メッキを行うことによりメッキ材料による突起部を形成し、その突起の先端部にカーボンナノチューブやフラーレン44を固定化しようとするものがある。この技術はさらにメッキの突起部とは反対面にガラス基板45を接着してメッキ部の支持基板とし、その後シリコン層を剥離することによって、支持基板上に固定された電子放出電極43を得ようとするものである(例えば、特許文献1参照)。
As a conventional technique, for example, as shown in FIG. 6, an electroless process is first performed using a plating bath in which carbon nanotubes or fullerenes are dispersed in a mold of a single
また、図7に示すように、カーボンナノチューブ106を分散させたアルコール系の懸濁液107中に一対の並行平板電極を置き、並行平板に電圧を印加して電気泳動法により一方のAl電極104上にカーボンナノチューブを移動させて配向させた状態で突き立てるという、電極上にカーボンナノチューブを配向させて立てる技術がある(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、上述した特許文献1の方法では、単結晶シリコンの型を用いて最初に無電解メッキを行うために、カーボンナノチューブの配列が無秩序になり、またカーボンナノチューブあるいはフラーレンのほとんどがメッキの金属材料中に埋まってしまうことになる。したがって、電子放出電極を単結晶シリコン基板の型から剥離した後に、電子放出電極の表面から突き出しているカーボンナノチューブあるいはフラーレンの部分はきわめて小さい。そのために、単結晶シリコン基板の型から剥離した電子放出電極に対し、カーボンナノチューブの一部がメッキの表面から十分突き出るまで、メッキ材料のエッチング処理を必要としている。
However, in the method of
また、上述の方法では、電気メッキを行う前に電極となる下引き層(種層とも言う)を形成するため最初に無電解メッキを行うことが必須であり、電子放出電極の表面になる型に接する部分にカーボンナノチューブが無秩序に堆積されることは避けられない。 In the above-described method, it is essential to perform electroless plating first in order to form an undercoat layer (also referred to as a seed layer) to be an electrode before electroplating. It is inevitable that the carbon nanotubes are randomly deposited on the portion in contact with the surface.
また、メッキ部の突起の反対側にガラス板を静電接着するとき、一般的にはメッキ内部の応力の作用でメッキ部の表面は平坦ではないため接着時の接着性が悪くなり、後の工程で酸化膜層やゲート電極層をスパッタリング処理するときに熱の影響で剥離してしまうという問題がある。加えて、メッキ層が薄いためにX線発生装置などエミッション電流の多い用途には適していないなどの問題がある。 Also, when the glass plate is electrostatically bonded to the opposite side of the projection of the plated portion, generally the surface of the plated portion is not flat due to the action of the stress inside the plating, resulting in poor adhesion at the time of bonding. There is a problem in that the oxide film layer and the gate electrode layer are peeled off due to heat when the oxide film layer and the gate electrode layer are subjected to the sputtering process. In addition, since the plating layer is thin, there is a problem that it is not suitable for an application with a large emission current such as an X-ray generator.
また、特許文献2の電気泳動によりAl電極上にカーボンナノチューブを突き立てる方法においては、いくら高電圧を印加して電気泳動を行ったとしても、カーボンナノチューブをAl電極表面に十分強固に突き立てられるものではなく、後に続く製造工程で一部のカーボンナノチューブが脱離したり、電極完成後に電子放出素子として用いた場合にも電界によりカーボンナノチューブが脱離する等の信頼性や寿命上の問題が生じる。 In addition, in the method of propelling carbon nanotubes on an Al electrode by electrophoresis of Patent Document 2, the carbon nanotubes can be thrust sufficiently firmly on the surface of the Al electrode, no matter how high voltage is applied. Instead, some of the carbon nanotubes are detached in the subsequent manufacturing process, and there is a problem in reliability and life such that the carbon nanotubes are detached due to an electric field when used as an electron-emitting device after completion of the electrode.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電極上にカーボンチューブを電界の方向に配向させて強固に突き立たせ、高耐久性と高信頼性及び低いゲート電圧を有する電子放出素子を複雑な製造工程を経ることなく安価に安定して提供できるようにすることを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an electron-emitting device having high durability, high reliability, and low gate voltage is obtained by orienting a carbon tube on an electrode in a direction of an electric field and firmly protruding the electrode. The object is to enable stable and inexpensive provision without going through a complicated manufacturing process.
上記課題を解決するため、本発明者は以下に記載のいずれかの構成を有する電子放出素子を見出した。 In order to solve the above problems, the present inventor has found an electron-emitting device having any one of the following configurations.
1.四角錐構造の部位を有する支持基板上に、メッキ層、絶縁膜層及び金属膜層を有する電子放出素子であって、
前記四角錐構造の先端部分に、一部がメッキ層に埋設され、前記先端部分の面の法線方向に配向したカーボンナノチューブを有し、
前記四角錐構造の部位周辺は、前記絶縁膜層及び金属膜層が存在しない開口部となっていることを特徴とする電子放出素子。
1. An electron-emitting device having a plating layer, an insulating film layer, and a metal film layer on a support substrate having a quadrangular pyramid structure,
In the tip portion of the quadrangular pyramid structure, a part of the carbon nanotube is embedded in a plating layer and oriented in the normal direction of the surface of the tip portion,
An electron-emitting device characterized in that the periphery of the quadrangular pyramid structure is an opening in which the insulating film layer and the metal film layer do not exist.
2.1において、前記電子放出素子を複数個、平面状に配置したことを特徴とする電子放出素子。 2.1. An electron-emitting device, wherein a plurality of the electron-emitting devices are arranged in a planar shape.
3.1または2において、前記支持基板は、厚さが0.3mm以上であることを特徴とする電子放出素子。 The electron-emitting device according to 3.1 or 2, wherein the support substrate has a thickness of 0.3 mm or more.
4.1、2または3に記載の電子放出素子の製造方法であって、
四角錐構造の凹部を有する型に、電鋳法を用いて金属製の支持基板を形成する工程と、
前記支持基板を前記型から分離する工程と、
前記分離された支持基板をカーボンナノチューブが分散したメッキ浴中で電気メッキする工程と、を有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
4. A method for manufacturing an electron-emitting device according to 1, 2, or 3,
Forming a metal support substrate on the mold having a quadrangular pyramid recess using an electroforming method;
Separating the support substrate from the mold;
And a step of electroplating the separated support substrate in a plating bath in which carbon nanotubes are dispersed.
5.4において、前記四角錐構造の凹部を有する型は、(100)結晶面を有するシリコン基板に異方性エッチングを用いて作製されることを特徴とする電子放出素子の製造方法。 5.4. The method of manufacturing an electron-emitting device according to 5.4, wherein the mold having the concave portion of the quadrangular pyramid structure is manufactured using anisotropic etching on a silicon substrate having a (100) crystal plane.
6.4または5において、前記金属製の支持基板を前記四角錐構造の凹部を有する型から剥離後、前記金属製の支持基板に絶縁膜層及び金属膜層を積層し、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、前記絶縁膜層及び金属膜層に開口部を形成することを特徴とする電子放出素子の製造方法。 In 6.4 or 5, the metal support substrate is peeled from the mold having the quadrangular pyramid-shaped recesses, and then an insulating film layer and a metal film layer are laminated on the metal support substrate, and photolithography and etching are performed. And forming an opening in the insulating film layer and the metal film layer.
請求項1に係る発明によれば、支持基板の突起先端部分に集中して電界方向に配向したカーボンナノチューブを配置し、このカーボンナノチューブ群を電子放出源として用いることにより、ゲート印加電圧の非常に低い電子放出素子の実現が可能になるとともに、高エミッション電流でも安定に電子放出を行うことが可能になる。また、化学的に安定なカーボンナノチューブを電子放出源として用いることにより、残留ガスに対しても劣化の少ない、信頼性の高い電子放出素子とすることができる。 According to the first aspect of the present invention, by arranging the carbon nanotubes that are concentrated in the electric field direction in a concentrated manner at the tips of the protrusions of the support substrate, and using the carbon nanotube group as an electron emission source, A low electron-emitting device can be realized, and electrons can be stably emitted even with a high emission current. In addition, by using a chemically stable carbon nanotube as an electron emission source, a highly reliable electron emission element with little deterioration against residual gas can be obtained.
請求項2に係る発明によれば、上記電子放出素子を平面状に多数配置した構成により、カーボンナノチューブの化学的安定性と多数電子放出源の電子放出安定性により、フィラメントを用いた熱電子放出方式に比べてはるかに小型でありながらX線用電子放出素子として十分なエミッション電流を安定して得ることが可能になる。 According to the second aspect of the present invention, the configuration in which a large number of the electron-emitting devices are arranged in a planar manner allows thermionic emission using a filament due to the chemical stability of the carbon nanotubes and the electron emission stability of the multiple-electron emission source. It is possible to stably obtain an emission current sufficient as an electron-emitting device for X-rays while being much smaller than the method.
請求項3に係る発明によれば、前記支持基板は十分な厚さに形成されているので、機械的な強度が十分得られ、前記支持基板に補強のために別の部材を張り合わせる必要がなくなるとともに、支持基板を電鋳により形成した後、型から剥離する工程では機械的な剥離が可能になり、従来のようにエッチングにより型を溶解する必要がなくなる。その結果、簡単な素子構造と簡単な製造工程により、安価に電子放出素子が製造できるようになる。また、支持基板が十分に厚いのでX線発生装置など大きなエミッション電流が必要な用途に対しても十分な電流が供給できるようになる。
According to the invention of
請求項4に係る発明によれば、メッキ浴中に分散されたカーボンナノチューブに電界を掛けながら電気メッキを行うことにより、カーボンナノチューブは電界の方向に配向しながら支持基板の突起先端に集中し、メッキ材料によりその一部が確実に固定される。このため、ゲート電極形成など、それ以降の製造プロセスでもカーボンナノチューブが脱離することがない。また、素子完成後に電子放出素子として用いた場合でも印加された電界によってカーボンナノチューブが脱離することはない。
According to the invention of
また、カーボンナノチューブを配向させて形成するために、従来のようにカーボンナノチューブを成長させるためのCVD装置などの高価な装置を用いる必要がなく、メッキ浴といった低コストな製造装置が使用できる。 Further, in order to form the carbon nanotubes by orientation, it is not necessary to use an expensive apparatus such as a CVD apparatus for growing the carbon nanotubes as in the conventional case, and a low-cost manufacturing apparatus such as a plating bath can be used.
請求項5に係る発明によれば、底の形状が鋭い凹部をした窪みを再現性良く形成することができるので、量産に適した製造方法である。また、微細加工が可能であるので、平面状に前記四角錐構造の部位を複数配置する場合に、精度良く高密度に配置することが可能になり、小型で高エミッション電流が安定して得られる電子放出素子を容易に低コストで作製可能になる。
According to the invention which concerns on
請求項6に係る発明によれば、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて前記絶縁膜層及び金属膜層に開口部を形成するので、高精度で再現性の良い開口部を形成することが可能になる。 According to the sixth aspect of the present invention, the openings are formed in the insulating film layer and the metal film layer using photolithography and etching, so that it is possible to form the openings with high accuracy and good reproducibility. .
本発明に係る実施の形態を図に基づいて説明する。 Embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る電子放出素子の一実施形態の断面図である。図1の24は支持基板であり、例えばNi等の金属で作製されるものである。34はその表面の金属メッキ層で、材料は例えばNiなどが用いられる。29は開口部33を有した絶縁層でその上の金属膜層30と金属メッキ層34とを絶縁している。絶縁膜層29は、厚さは例えば5μm程度であり、開口部33の直径は例えば10〜20μm程度である。絶縁膜層29は抵抗率が10×1012Ω・cm程度以上あれば良く、SiO2膜、Si3N4膜、ポリイミド膜などが使用できる。25は高さが例えば5μm程度の突起である。28は突起25上に形成されたカーボンナノチューブ群である。カーボンナノチューブ群28は、突起25表面の法線方向に対して70度〜110度の範囲の角度を有し、カーボンナノチューブ群28全体の50%程度以上のものが配向している。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of an electron-emitting device according to the present invention.
金属メッキ層34の厚さは、例えば1μm程度以下で、カーボンナノチューブ群28の下端の一部を埋設して機械的に固定するとともに、カーボンナノチューブ群28と支持基板24とを電気的に接続している。金属膜層30及び支持基板24は、この電子放出素子を動作させる場合に、それぞれゲート電極、カソード電極となる。
The thickness of the
次に、本発明に係る電子放出素子の製造方法についての実施形態例を図4、図5に基づいて説明する。 Next, an embodiment of the method for manufacturing an electron-emitting device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図4は、本発明の方法による電子放出素子の製造方法を説明した図である。以下、この図に従って電子放出素子の製造方法を説明する。 FIG. 4 is a diagram illustrating a method for manufacturing an electron-emitting device according to the method of the present invention. Hereinafter, a method for manufacturing the electron-emitting device will be described with reference to FIG.
図4(A)は(100)結晶面のSi基板20の両面にSiO2膜21を形成し、SiO2膜21にフォトリソグラフィ、RIE(反応性イオンエッチング)等を用いて一辺aの正方形の開口部を形成したものの断面図である。SiO2膜21はスパッタリングまたは熱酸化などの方法で形成されたもので厚さは約0.5μmである。
FIG. 4 (A) to form an SiO 2 film 21 on both sides of the
このSi基板20にエッチング溶液(ここではKOH溶液)中で異方性エッチングを施すと、Si基板の結晶方位にしたがって開口部25からエッチングが進行し、最終的にaを基底とする逆ピラミッド形状の凹部22が形成される。その後、SiO2膜21をエッチングによって除去すると、図4(B)に示すSi基板20が得られる。
When anisotropic etching is performed on the
図4(C)は、前記のSi基板20にNiをスパッタリングすることにより0.5μmの厚さのNi膜による電鋳のための下引き層23を形成したものである。下引き層23を形成する材料は次の電鋳に用いられる金属と同じであることが望ましい。ここで、電鋳とは電気鋳造、エレクトロフォーミングとも呼ばれるもので、母型表面にメッキを行って所定厚の金属層(電着層ともいう)を形成し、形成された金属層を母型より剥離することにより金属層を製造する方法である。
FIG. 4C shows a case where an
この下引き層23が形成されたSi基板に対して電鋳を行う。すなわち、下引き層23が形成されたSi基板を回転させながら直流電流を長時間印加して、下引き層23の上に電気メッキによりNi層を堆積させる。直流電流を制御することにより電鋳時に発生する応力が制御されて、Ni層の粒状性や平面度を保つことができる。電鋳により、下引き層23の上にNi層を、たとえば1mm程度の厚みになるまで堆積させることが可能である。その後、機械的剥離、あるいはSiのエッチングによりSi基板20を除去し、図4(D)に示すような表面に突起25を有する支持基板24が得られる。
Electroforming is performed on the Si substrate on which the
本発明では、電鋳により1mm程度の厚いNi層を形成することが可能なのでNi層自体に強度が得られ、従来技術のようにガラス板などの支持基板を貼り合わせるなどしてNi層を補強する必要がない。また、機械的強度を有するのでNi層を型から剥離する場合、従来のようにエッチングにより型を溶解することなく、機械的に剥離することが可能である。したがって、Ni層を補強するための部品点数や工程が削減され、製造工程の効率を上げることが可能である。 In the present invention, since a thick Ni layer of about 1 mm can be formed by electroforming, the Ni layer itself has strength, and the Ni layer is reinforced by bonding a support substrate such as a glass plate as in the prior art. There is no need to do. Further, since it has mechanical strength, when the Ni layer is peeled off from the mold, it can be peeled off mechanically without dissolving the mold by etching as in the prior art. Therefore, the number of parts and processes for reinforcing the Ni layer are reduced, and the efficiency of the manufacturing process can be increased.
このように、本実施の形態では支持基板の厚さを1mmとしたが、補強が不要な支持基板を得るためには、一般的には支持基板の厚さを少なくとも0.3mm以上とすることが望ましい。 Thus, in this embodiment, the thickness of the support substrate is 1 mm. However, in order to obtain a support substrate that does not require reinforcement, the thickness of the support substrate is generally set to at least 0.3 mm or more. Is desirable.
次に、支持基板24へのカーボンナノチューブの固定方法について説明する。
Next, a method for fixing the carbon nanotubes to the
図4(E)は電気メッキによるカーボンナノチューブの固定プロセスを説明した図であるが、これについては図5を用いて以下に詳しく説明する。 FIG. 4E is a diagram illustrating a process for fixing carbon nanotubes by electroplating, which will be described in detail below with reference to FIG.
図5で、39は電気メッキシステムを示す。38はメッキ槽であり、その中にカーボンナノチューブ40を分散させた電気メッキ浴36が満たされている。支持基板24は平板電極35と対向して平行に配置されており、支持基板24と平板電極35は電気メッキ用の直流電源37に接続されて電気メッキが行われる。
In FIG. 5, 39 indicates an electroplating system. A
カーボンナノチューブは、通常、電気メッキ浴36中でばらばらな方向を向いているが、電源37により電界を印加すると分極して、電気力線の方向に沿って配向しながら陰極側に移動し、その一端は金属メッキ層34の中に埋設されて配向したまま固定される。
The carbon nanotubes are usually oriented in different directions in the
また、支持基板24と平面電極35とを平行に配置し、この間に直流電源37により一定電圧を印加することにより、支持基板24上の突起25の先端部分に電気力線4が集中するので、カーボンナノチューブ40は突起25の先端に引き寄せられて、電気力線の方向(つまり突起の面の法線方向)に配向して集まることになる。このようにして突起25の先端にカーボンナノチューブが配向した状態で集合し、カーボンナノチューブの一端が金属メッキ層34に埋設されて、突起25の先端部分に固定されたカーボンナノチューブ群28が形成される。
In addition, by arranging the
このように、本発明では電気メッキ浴中にカーボンナノチューブを分散させることにより、電極への移動後にカーボンナノチューブの一端を確実にメッキ層により固定することができ、電極加工等の後工程でカーボンナノチューブが脱離することのない強固な固定を実現することができた。このような高耐久性を有するカーボンナノチューブの固定技術は、アルコール系溶剤に分散させたカーボンナノチューブを電気泳動により移動させて電極上に固定させていた従来技術の思想から見出すことができなかったものである。 As described above, in the present invention, by dispersing the carbon nanotubes in the electroplating bath, one end of the carbon nanotubes can be reliably fixed by the plating layer after moving to the electrode. It was possible to achieve a strong fixation without detachment. Such carbon nanotube fixing technology with high durability could not be found from the idea of the prior art in which carbon nanotubes dispersed in an alcohol-based solvent were moved by electrophoresis and fixed on an electrode. It is.
なお、カーボンナノチューブの長さは数ミクロン程度であるので、上記のメッキ厚をあまり厚くしても、カーボンナノチューブがメッキ層に埋没してしまい無駄になってしまう。したがってメッキ層の厚さは1μm程度以下にしておくのが望ましい。 Since the length of the carbon nanotube is about several microns, the carbon nanotube is buried in the plating layer and is wasted even if the plating thickness is increased too much. Therefore, it is desirable that the thickness of the plating layer be about 1 μm or less.
図4へもどって、図4(F)は上述のようにして作製した支持基板24の図である。34は金属メッキ層、28は金属メッキ層34に一端が埋設されたカーボンナノチューブ群で、突起25の先端部分に集中して形成されている。
Returning to FIG. 4, FIG. 4F is a diagram of the
この支持基板24にSiO2等からなる絶縁膜層29及びカーボンナノチューブ群28に電界を印加するためのゲート電極(引き出し電極ともいう)となる金属膜層30を例えばスパッタリング法などを用いて形成し、図4(G)に示す支持基板24を得る。絶縁膜層29はCVD法(Chemical Vapor Deposition;化学気相蒸着法)などにより形成され厚さは5μm程度である。金属膜層30はAl、Ti、Mo、Wなどの金属材料で厚みは0.3〜1μm程度とする。絶縁膜層29は、カソード電極である支持基板24とゲート電極である金属膜層30を電気的に絶縁するために用いられている。
An insulating
図4(H)は、開口部32を形成した状態を示しており、図4(G)の支持基板24の金属膜層30の上にネガのドライフィルムを貼り、或いはスピンコートや電着によりレジスト31をコートした後に、フォトリソエッチング等により開口部32を形成する。開口部32はゲート電極の開口径を決定する部分であり、たとえば突起25を中心とする直径bを10〜20μm程度とする円形状にパターンニングされる。
FIG. 4H shows a state in which the
図4(I)は電子放出電極の完成図であり、図4(H)の支持基板24の金属膜層30及び絶縁層29に、レジスト31をマスクとしてRIE(反応性イオンエッチング)によりエッチングして開口部33を形成し、その後レジスト31を除去したところを示す。突起25の先端部分にはカーボンナノチューブ群28が電子放出源として形成され、支持基板24と同一材料である突起25と、突起25を中心とする円形の開口部33を有する絶縁膜層29及びゲート電極となる金属膜層30が取り囲んでいる。
FIG. 4I is a completed drawing of the electron emission electrode. The
なお、本実施の形態ではカーボンナノチューブの固定プロセスを、図4(D)の支持基板24に対して施しているが、この工程は電子放出素子作製工程の最後に行うことも可能である。すなわち、図4(D)の支持基板24に対して、カーボンナノチューブの固定プロセスを施さず、以降の工程を実施してカーボンナノチューブの固定されていない電子放出素子を作製する。そして、この素子に対して電気メッキシステム39を使用してカーボンナノチューブの固定を行う。この時、金属膜層30の平面電極35と同じにしておくとよい。
In this embodiment, the carbon nanotube fixing process is performed on the
次に、本発明の実施の形態である電子放出素子を用いた小型X線発生装置の例について図2の構成図を用いて説明する。 Next, an example of a compact X-ray generator using the electron-emitting device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the configuration diagram of FIG.
24はNi等の電鋳材料により形成された導電性の支持基板であり、その表面には金属メッキ層34、Si型を用いた電鋳処理により形成された突起25及びその先端にカーボンナノチューブ群28を有している。
29は支持基板24の突起25を囲む様に形成されたSiO2等の材料よりなる絶縁層である。30は絶縁膜層29上に形成されてカーボンナノチューブ群28の先端から電子を引出すためのゲート電極である。24、34、29、30、25、28を合わせて電子放出素子を構成している。5はターゲット電極でカーボンナノチューブ群28から引き出された電子が衝突することによりX線を発生させるためのものであり、診断用X線用としてW(タングステン)やMo(モリブデン)等が一般に用いられている。7はゲート電極30にカソード電極である支持基板24を基準として正方向のパルス電圧を印加するためのパルス電圧発生器、8は同じく支持基板1を基準にターゲット電極5に正方向の高圧直流電圧を印加するための直流バイアス電源である。6はX線発生装置を真空状態で密封し各電極を保持するためのガラスあるいは金属材料からなるX線遮蔽構造を含む容器、10は内部で発生したX線のうち一定角度の範囲のものを外部に通過させるX線窓で、通過部はBeなどのX線通過材料が一般的に用いられる。
以上の構成において動作を説明する。まず、パルス電圧発生器7によりカソード電極(支持基板24)を基準に例えば100V程度のパルスをゲート電極30に印加すると、ゲート電極30は突起25を中心とした円周上に配置される構造によりカーボンナノチューブ群28の先端に電界が集中し、一般的には真空中において108V/cm程度以上の電界を与えることにより、カーボンナノチューブ群28の先端から電子が飛び出す電子放出現象が生じる。
The operation in the above configuration will be described. First, when a pulse voltage generator 7 applies a pulse of, for example, about 100 V to the
このようにして放出された電子は矢印9で示す方向に、直流バイアス電源8で例えば30kV程度にバイアスされたターゲット電極5による電界により加速され、最後にはターゲット電極5表面に衝突し、その金属材料と加速電圧に応じた波長をもつX線を発生させる。
The electrons thus emitted are accelerated in the direction indicated by the arrow 9 by the electric field generated by the
ここで、ターゲット電極材料としては、先に述べたようにWやMo等が用いられる。また、ターゲット電極表面から発生したX線のうち、X線窓10により撮影に必要な焦点径サイズに対応した範囲に規制されたX線11がX線窓10を通して図示しない被照射体に照射される。
Here, as described above, W, Mo, or the like is used as the target electrode material. In addition, among the X-rays generated from the surface of the target electrode, the
このときの焦点径サイズが小さい程、撮影されるX線画像の解像度が良くなり、特に、高解像度が必要とされるマンモグラフィ用X線発生装置では、焦点径サイズとして0.1mm程度が求められている。 The smaller the focal spot size at this time, the better the resolution of the captured X-ray image. In particular, in an X-ray generator for mammography that requires high resolution, a focal spot size of about 0.1 mm is required. ing.
図3は、本発明に係るX線発生装置用電子放出素子の平面図である。 FIG. 3 is a plan view of the electron-emitting device for an X-ray generator according to the present invention.
図2では原理説明のために、電子放出源として突起25を1個の電子放出素子の例として説明したが、実際のX線発生装置での電子放出素子は、エミッション電流を得るために図3のように、絶縁層29(不図示)、ゲート電極30、突起25が支持基板24(不図示)上に設けられた金属メッキ層34上に多数個、並列電気接続で平面的に配置された構成となっている。
In FIG. 2, the
電子放出素子としての動作は、図2での動作と同様に、突起25先端のカーボンナノチューブ群28(不図示)に対してゲート電極30にパルス電圧を印加することにより各カーボンナノチューブ群28の先端より電子が放出されてエミッション電流を発生する。各カーボンナノチューブ群28の先端から放出された電子の大部分はターゲット電極5(不図示)に向かって加速され、最後にはターゲット電極5に衝突してX線を発生する。
The operation as the electron-emitting device is similar to the operation in FIG. 2, by applying a pulse voltage to the
本発明の特徴とするところは、図2及び図3の突起部25においてその先端部に電子放出方向に配向されたカーボンナノチューブ群28を形成し、その先端から電界放出作用により電子を放出させることである。
The feature of the present invention is that a
カーボンナノチューブは、直径が数ナノから数十ナノメートルで、かつ、長さ方向が数ミクロンの形状を有し、アスペクト比が極めて大きな良導電性の電子材料である。そして、カーボンナノチューブを電子放出源として用いることにより、電界集中度が極めて高くなり、結果としてゲート印加電圧の非常に低い電子放出素子の実現が可能になる。 A carbon nanotube is a highly conductive electronic material having a diameter of several nanometers to several tens of nanometers, a length direction of several microns, and an extremely large aspect ratio. By using the carbon nanotube as an electron emission source, the electric field concentration becomes extremely high, and as a result, it is possible to realize an electron emission element having a very low gate applied voltage.
さらに、ゲート電極1つ1つに対して各々単一の突起25を電子放出源として利用するよりも、多数の配向させたカーボンナノチューブを電子放出源として用いた方がカーボンナノチューブの化学的安定性と多数電子放出源による電子放出安定性が発現されて、単一突起に比べて非常に安定した状態で高エミッション電流が得られるという利点を有する。
Furthermore, the chemical stability of the carbon nanotube is better when a plurality of aligned carbon nanotubes are used as the electron emission source than when the
上述した本発明による、カーボンナノチューブを電子放出源とする電子放出素子の製造方法は、Siの結晶面に依存した異方性エッチングを用いることで逆ピラミッド構造の凹型を容易に再現性良く形成することが可能であり、前記の型に電鋳を行うことで四角錐構造の部位を同時に多数個再現性良く形成することが可能となり、四角錐構造の部位の製造バラツキが少ないというSi型と電鋳プロセスを用いたことによる利点がある。 In the method of manufacturing an electron-emitting device using carbon nanotubes as an electron emission source according to the present invention described above, the concave shape of the inverted pyramid structure is easily formed with good reproducibility by using anisotropic etching depending on the crystal plane of Si. Therefore, by electroforming the mold, it is possible to simultaneously form a large number of quadrangular pyramidal structures with good reproducibility, and there is little manufacturing variation of the quadrangular pyramidal structure. There is an advantage of using a casting process.
それに加えて、メッキ浴中に分散されたカーボンナノチューブに電界を印加しながら支持基板の表面に電気メッキを行うことにより、カーボンナノチューブを配向させた状態で突起先端に集中させてメッキ材料により確実に固定される。その結果、ゲート電極形成などの以降のプロセスでもカーボンナノチューブが脱離することなく、安定して高エミッション電流が得られる電子放出素子の形成が可能である。また、カーボンナノチューブを電気メッキのプロセスを用いて配向させ固定させているために、従来の様に、カーボンナノチューブを成長させるためのCVD装置などの高価な装置を用いる必要もなく、メッキ浴といった低コストな製造装置が使用できる、などの優れた点を有する。 In addition, by applying electroplating to the surface of the support substrate while applying an electric field to the carbon nanotubes dispersed in the plating bath, the carbon nanotubes can be concentrated on the tip of the protrusion in an oriented state to ensure more reliable plating material. Fixed. As a result, it is possible to form an electron-emitting device that can stably obtain a high emission current without detaching the carbon nanotubes in subsequent processes such as gate electrode formation. In addition, since carbon nanotubes are oriented and fixed using an electroplating process, it is not necessary to use an expensive apparatus such as a CVD apparatus for growing carbon nanotubes as in the prior art, and a plating bath is low. It has an excellent point that a costly manufacturing apparatus can be used.
また、本発明に係る電子放出素子は、電鋳による支持基板の突起上に固定された電子放出方向(電界の方向、すなわち、面の法線方向)に配向したカーボンナノチューブ群を用いることにより、ゲート印加電圧の非常に低い電子放出素子の実現を可能にするとともに、カーボンナノチューブの電子放出源を平面上に多数配置した構成をとることにより、カーボンナノチューブの化学的安定性と多数電子放出源による安定した電子放出性を発現して、フィラメントを用いた熱電子放出方式に比べてはるかに小型でありながらX線用電子放出素子として十分なエミッション電流が得られるという利点がある。 Further, the electron-emitting device according to the present invention uses a group of carbon nanotubes oriented in the electron emission direction (the direction of the electric field, that is, the normal direction of the surface) fixed on the protrusion of the support substrate by electroforming, It is possible to realize an electron-emitting device with a very low gate applied voltage, and by arranging a large number of carbon nanotube electron emission sources on a flat surface, the chemical stability of the carbon nanotubes and the large number of electron emission sources There is an advantage that a stable electron emission property is expressed, and an emission current sufficient as an electron-emitting device for X-rays can be obtained while being much smaller than a thermal electron emission method using a filament.
また、実施の形態では小型X線発生装置への適用例で説明したが、同様の電子放出素子を持つディスプレイや、その他の電子放出素子を有する機器への適用も可能である。 In the embodiment, the application example to the small X-ray generator has been described. However, the present invention can be applied to a display having the same electron-emitting device and other devices having the electron-emitting device.
4 電気力線
5 ターゲット電極
6 容器
7 パルス電圧発生器
8 直流バイアス電源
9 電子の加速方向
10 X線窓
11 X線
20 Si基板
21 SiO2膜
22 凹部
23 下引き層
24 支持基板
25 突起
28 カーボンナノチューブ群
29 絶縁膜層
30 金属膜層
31 レジスト
32 開口部
33 開口部
34 メッキ層
35 平面電極
36 電気メッキ浴
37 直流電源
38 メッキ槽
39 電気メッキシステム
41 Si単結晶基板
42 シリコン酸化膜
43 金属メッキ層
44 フラーレン
45 ガラス基板
101 電気泳動容器
103 平板電極
104 Al電極
105 ガラス基板
106 カーボンナノチューブ
107 懸濁液
108 直流電源
4
Claims (6)
前記四角錐構造の先端部分に、一部がメッキ層に埋設され、前記先端部分の面の法線方向に配向したカーボンナノチューブを有し、
前記四角錐構造の部位周辺は、前記絶縁膜層及び金属膜層が存在しない開口部となっていることを特徴とする電子放出素子。 An electron-emitting device having a plating layer, an insulating film layer, and a metal film layer on a support substrate having a quadrangular pyramid structure,
In the tip portion of the quadrangular pyramid structure, a part of the carbon nanotube is embedded in a plating layer and oriented in the normal direction of the surface of the tip portion,
An electron-emitting device characterized in that the periphery of the quadrangular pyramid structure is an opening in which the insulating film layer and the metal film layer do not exist.
四角錐構造の凹部を有する型に、電鋳法を用いて金属製の支持基板を形成する工程と、
前記支持基板を前記型から分離する工程と、
前記分離された支持基板をカーボンナノチューブが分散したメッキ浴中で電気メッキする工程と、を有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。 A method for manufacturing an electron-emitting device according to claim 1, 2 or 3,
Forming a metal support substrate on the mold having a quadrangular pyramid recess using an electroforming method;
Separating the support substrate from the mold;
And a step of electroplating the separated support substrate in a plating bath in which carbon nanotubes are dispersed.
前記金属製の支持基板に絶縁膜層及び金属膜層を積層し、
フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、前記絶縁膜層及び金属膜層に開口部を形成することを特徴とする請求項4または5に記載の電子放出素子の製造方法。 After peeling the metal support substrate from the mold having the concave portion of the quadrangular pyramid structure,
Laminating an insulating film layer and a metal film layer on the metal support substrate,
6. The method for manufacturing an electron-emitting device according to claim 4, wherein openings are formed in the insulating film layer and the metal film layer by using photolithography and etching.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004265228A JP2006080021A (en) | 2004-09-13 | 2004-09-13 | Electron emitting element, and manufacturing method of electron emitting element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004265228A JP2006080021A (en) | 2004-09-13 | 2004-09-13 | Electron emitting element, and manufacturing method of electron emitting element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006080021A true JP2006080021A (en) | 2006-03-23 |
Family
ID=36159287
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004265228A Pending JP2006080021A (en) | 2004-09-13 | 2004-09-13 | Electron emitting element, and manufacturing method of electron emitting element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006080021A (en) |
-
2004
- 2004-09-13 JP JP2004265228A patent/JP2006080021A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3730476B2 (en) | Field emission cold cathode and manufacturing method thereof | |
JP2004079223A (en) | Electron source having carbon nanotube and electron microscope as well as electron beam lithography device using the same | |
JP2001101966A (en) | Electron source array, method for manufacturing it and method for driving it | |
JP3884887B2 (en) | Drawing probe and manufacturing method thereof | |
JP2007258172A (en) | Electron emitting element using carbon nanotube and its manufacturing method | |
US8536546B2 (en) | Carbon nanotube electron gun | |
KR20050085830A (en) | Method of manufacturing micro structure, and method of manufacturing mold material | |
JP3581298B2 (en) | Field emission type electron source array and method of manufacturing the same | |
JP3982558B2 (en) | Electron source having carbon nanotubes, electron microscope and electron beam drawing apparatus using the same | |
JP3573273B2 (en) | Electron emitting device and method of manufacturing the same | |
JP3581296B2 (en) | Cold cathode and method of manufacturing the same | |
JP2006080021A (en) | Electron emitting element, and manufacturing method of electron emitting element | |
KR20200074082A (en) | Suspended grid structure for electrodes in vacuum electronics | |
JP3590007B2 (en) | Electron-emitting device, method of manufacturing the same, and image display device using the electron-emitting device | |
JP2001195972A (en) | Cold cathode and manufacturing method of the same | |
JP2000243247A (en) | Manufacture of electron emission element | |
JP2002124180A (en) | Manufacturing method of electron-emitting element, electron-emitting element, electron source and image forming device | |
JP2006100184A (en) | Electron emitting electrode and its manufacturing method | |
JP3822622B2 (en) | Vacuum micro equipment | |
JP3774463B2 (en) | Horizontal field emission cold cathode device | |
JP4909813B2 (en) | Electron emitting device, electron gun, and electron beam application apparatus using the same | |
JP2004158357A (en) | Electron beam emission source, manufacturing method of electron beam emission source and electron beam lithography system | |
JP4043141B2 (en) | Method for manufacturing electron emission source and electron emission source | |
JP2000340100A (en) | Manufacture of electron emission source, electron emission source and fluorescent light emission type indicator | |
JP3568859B2 (en) | Cold cathode and method of manufacturing the cold cathode |