JP4034304B2

JP4034304B2 - 半導体構造上に形成された放出器を有するｘ線発生装置

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Publication number: JP4034304B2
Application number: JP2004350730A
Authority: JP
Inventors: ダニエル・アール・マーシャル
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: DE102004037835A1; US6937698B2; JP2005166674A; US20050123095A1

Description

本発明は、半導体構造上に形成された放出器を有するＸ線発生装置に関する。

Ｘ線は、医療診断および治療、隠れた欠陥を見つけるための部品検査、高度の慎重さを要する区域（たとえば空港）における手荷物および他の物品の選別検査、及び非常に小さな粒子の研究などの多数の様々な用途に使用されている。

Ｘ線源は一般に、熱陰極から電子が放出されるＸ線管を含む。放出された電子は、大きな電位差によって加速され、それにより電子は陽極に衝突する。電子は、陽極において原子内部の、より緊密に結合された電子を、それらの原子から追い出すだけの十分なエネルギーでもって陽極に衝撃を与える。これらの励起された原子が、それらの基底状態に戻る際に、それらの原子は、Ｘ線として知られている短い波長の電磁放射線を放出する。

Ｘ線管を含む従来のＸ線源は、サイズが比較的大きくなる傾向があり、それによって係るＸ線源を用いることができる態様に制約が加えられる可能性がある。

比較的高いエネルギーのＸ線を発生させるためのＸ線源として、時折、線形加速器のような粒子加速器が使用される。しかしながら、そのような粒子加速器は比較的費用のかかる傾向があり、そのため広く使用されていない。

本発明の一態様によれば、Ｘ線発生装置が提供される。そのＸ線発生装置は、半導体構造と、前記半導体構造上に形成され、電子を放出するための放出器と、電子により衝撃を与えることに応じてＸ線を発生させるための要素とを備える。

本発明の一態様によれば、Ｘ線を発生させる方法が提供される。その方法は、電子を放出するように、半導体構造上の放出器を活性化し、及びターゲット上へと電子を導いて、前記ターゲットがＸ線を発生するようにすることを含む。

本発明によるＸ線発生装置は、半導体技術を利用するので、本発明のＸ線発生装置は、従来のＸ線源（たとえばＸ線管を用いるＸ線源）よりもはるかに小さくすることが可能になる。Ｘ線発生装置のサイズを小さくすることにより、人体内、機械または他の構造の狭い空間内などの小さな空間内でＸ線発生装置を用いることが可能になる。また、Ｘ線発生装置のサイズを小さくすることにより、その装置が軽量になり、持ち運びも可能になる。

さらに、半導体技術を利用することにより、本発明のＸ線発生装置は、比較的高い費用対効果で製造されることが可能になる。また、半導体ベースの技術を用いることにより、消費電力が比較的少ない高速の回路がもたらされ、本発明のＸ線発生装置は、従来のＸ線源よりも迅速に活性化する。また、サイクロトロン技術に基づいた加速器部分を用いることにより、従来のＸ線管に用いられる高い電圧を利用する必要がなくなる。電圧が小さくなる結果として、消費電力が少なくなり、かつ安全性が高まる。消費電力を少なくすることにより、いくつかの具現化形態によるＸ線発生装置は電池によっても動作することができる。

図１は、支持基板１０１と、支持基板１０１上に実装された、一実施形態による電子ビーム発生器１０２とを有するＸ線発生装置１００の一部を示す。電子ビーム発生器１０２は、電子の出力ビーム１１２を発生させる。出力ビーム１１２内の電子はターゲット１０８に衝撃を与える。電子の衝撃に応じて、ターゲット１０８は、電子ビーム発生器１０２のハウジング１１０の窓１１１を通って放射されるＸ線１１４を発生させる。ハウジング１１０の内部チャンバ１２０は真空状態を含む。ハウジング１１０内にあるＸ線発生装置１００の構成要素を図示するために、ハウジング１１０の部分は、図１の図面において切り取られていることに留意されたい。

ターゲット１０８は、電子が衝突するのに応じてＸ線を発生させる、タングステン、モリブデン又は任意の他の材料のような多数の異なる材料から形成され得る。Ｘ線は、真空中で高速の電子でもってターゲットに衝撃を与えることにより、又は原子がより低いエネルギー状態に遷移することにより生成される、短い波長、通常１０ｎｍ（１００オングストローム）未満の波長を有する電磁放射線を含む。

磁気素子１０４が電子ビーム発生器１０２に隣接して配置される。図示された実施形態では、磁気素子１０４は磁石支持構造１０６によって適所に保持される。図１の向きでは、磁気素子１０４は電子ビーム発生器１０２の上側に配置される。しかしながら、他の実施形態では、磁気素子１０４は、電子ビーム発生器１０２の下側、電子ビーム発生器１０２のいずれかの側面、又は電子ビーム発生器１０２に対する任意の他の場所のような、電子ビーム発生器１０２に対する種々の場所に配置され得る。磁気素子１０４は、電気エネルギーの入力に応じて磁界を発生させる電磁石とすることができる。代案として、磁気素子１０４は永久磁石とすることができる。

電子ビーム発生器１０２は、２つの概ね平行な半導体構造を含み、１つの具現化形態では、２つの半導体ダイ１２２及び１２４を含む。半導体ダイ１２２及び１２４は互いから間隔をおいて配置される。半導体ダイ１２２と１２４との間の間隔は、支柱１２６を用いることにより維持される。他の具現化形態では、他のタイプの支持機構を用いて、半導体ダイ１２２及び１２４の相対的な位置を維持することができる。電子ビーム発生器１０２は、一実施形態によれば２つの半導体ダイを含むが、他の実施形態は、１つの半導体ダイ、又は３つ以上の半導体ダイを用いることができる。

図２においてより詳細に示されるように、半導体ダイ１２２及び１２４は、ダイ１２２及び１２４のそれぞれの表面２０４及び２０６が互いに対して平行になるように構成される。半導体ベースの電界放出器２２０が、半導体ダイ１２４の表面２０６上に形成される。半導体ベースの電界放出器２２０は冷陰極（電界放出陰極とも呼ばれる）を含む。電界放出器２２０は、グリッド又は抽出器２０８と、第１のレンズ要素２１０と、第２のレンズ要素２１２とを含む、関連する電極を有する。他の実施形態では、１つのレンズ要素のみを、又は３つ以上のレンズ要素を用いることができる。

グリッド又は抽出器２０８は、電子がポテンシャル障壁を突き抜けて、半導体ダイ１２４の一部である半導体材料から放出されるように電界を生成することにより、電子を抽出する。第１のレンズ要素２１０は、集束素子として、及び放出される電子ビームの受光角を制限するための開口絞りとしての役割を果たす。第２のレンズ要素２１２は、グリッド又は抽出器２０８によって抽出される電子ビームをコリメートする（平行にする）のに役立つ。電子をコリメートすることは、放出される電子を、平行な経路で移動させることを意味している。したがって、本明細書において用いられる際に、「電子のビーム」又は「電子ビーム」は、電子が移動する１つ又は複数の経路を含む。

半導体ベースの電界放出器２２０に関連付けられる電極は、放出される電子ビームを適度に加速して、電子に初速を与えるために使用される。電子が電界放出器２２０から放出された直後の段階では、電子は比較的低いエネルギーを有する。電子偏向機構が１つ又は複数の偏向器電極２１４（２１４Ａ、２１４Ｂ及び２１４Ｃが示される）を含み、電子が半導体ダイ１２２及び１２４のそれぞれの表面２０４及び２０６に対して概ね平行な面内を移動するように導かれるように、低エネルギーの電子ビームの経路を偏向させる。一実施形態では、電極２１４Ａ、２１４Ｂ及び２１４Ｃは、電子の静電偏向を実行するために電界を生成する静電電極である。代替の実施形態では、その偏向機構は、電子ビームの経路を偏向させるための磁界を発生させる磁性素子を含む。電子は偏向機構によって偏向して、概ね２１８として示される経路に沿って進む。経路２１８は一般的に、放出される電子の元の方向に対して、０°以外の角度（たとえば９０°）にある。

経路２１８に沿って進む電子は、加速器部分２３０の方に向けられる。加速器部分２３０は、１組の上側電極２３２及び２３４（半導体ダイ１２２上に形成される）と、１組の下側電極２３６及び２３８（下側半導体ダイ１２４上に形成される）とを含む。それぞれの電極２３２、２３４、２３６及び２３８は、概ねＤ字形の電極である。交流（ＡＣ）信号が電極２３２、２３４、２３６及び２３８に印加される。一具現化形態では、ＡＣ信号は、正極と負極とが交互している概ね方形波の信号である。代案として、ＡＣ信号は正弦波信号とすることができる。

それぞれの１組の電極内では、電極の一方に印加されるＡＣ信号は、その組の他方の電極に対して位相がずれる（一例では１８０°だけ位相がずれる）。したがって、たとえば、所与の時点において、１組の上側電極内の電極２３２において印加されるＡＣ信号が正である場合には、電極２３４において印加されるＡＣ信号は負である（逆もまた同じである）。同様に、１組の下側電極では、電極２３６において印加されるＡＣ信号が正である場合には、電極２３８において印加されるＡＣ信号は負である（逆もまた同じである）。この結果、電極２３２と２３４との間に電界が発生し、電極２３６と２３８との間に電界が発生する。

さらに、それぞれの半導体ダイ１２２及び１２４の表面２０４及び２０６に対して概ね垂直な方向に、磁界２４０も加えられる。磁界２４０は磁気素子１０４（図１）によって加えられる。図示された実施形態では、加速器部分２３０はサイクロトロンである。他の実施形態では、他のタイプの加速器を用いることができる。

サイクロトロンでは、帯電した粒子（この場合には、経路２１８に沿って進む各電子）が、磁界２４０の存在に起因して、概ね曲線を描く経路（２４２として示される）で進む。磁界２４０内に入れられ、所定の周波数のＡＣ励起によって駆動されるＤ字形電極２３２、２３４、２３６及び２３８により、電子は一連のインパルスを受けて、それにより電子は、電極２３２、２３４、２３６及び２３８によって生成される電界のサイクル毎にエネルギーを獲得する。その結果として、電子は高いエネルギーの流れになり、概ね２４４として示される経路に沿って、磁界２４０の端部から出射する。経路２４４に沿って出射する電子は、図１に示される電子ビーム１１２を形成する。

電界放出器２２０内のグリッド又は抽出器２１０に与えられる電界は、個々の半導体ダイ１２２及び１２４上に形成される電子回路２４６及び２４８の一方または双方によって提供される。また、電子回路２４６及び２４８は、個々のＤ字形電極２３２、２３４、２３６及び２３８にＡＣ信号も供給する。

サイクロトロン（一実施形態では加速器部分２３０を構成する）の動作周波数は、少なくとも部分的には、各電子の所望の、又は目標の運動エネルギーに基づく。サイクロトロンの動作周波数は、電子の運動エネルギー（ＫＥ、ＫｅＶ単位、即ち数千電子ボルトで表される）と、電子の電荷（ｑ）と、電子の静止質量（ｍ_０）と、かけられる磁界（Ｂ）と、光速（ｃ）とを含む、種々の入力パラメータに基づいて、サイクロトロンの式から導出される。入力パラメータに基づいて、動作周波数（ｆ）は以下のように計算される。即ち、
ｆ＝（ｑ×Ｂ）／［γ×（２×π×ｍ_０×１０^９）］
ただし、
γ＝［（ＫＥ×１．６×１０^−１６）／ｍ_０×ｃ^２］＋１
である。

動作周波数（ｆ）は、加速器部分２３０に印加されるＡＣ信号の周波数を決定する。

正統的には、この周波数（ｆ）は、ｑ×Ｂ／（２×π×ｍ_０）の一定の値を有するであろう（非相対論的なサイクロトロン周波数）。しかしながら、電子の速度が増大して、光速の１％程度を超えると、見掛けの質量（ｍ_０×ｃ^２）も増加する。この結果、励起する電界の周波数、又は上述の磁界の強度のいずれかが、それに応じて調整され、電子が、励起する電界と同相で電極対（図２の２３２、２３４、２３６、２３８）間のギャップに到達するようにしなければならない。一定の磁界２４０（図２）が存在する場合、電極２３２、２３４、２３６、２３８によって印加される電界は、電子のバーストを生成するように周期的に変更され得る。

しかしながら、磁界２４０が、以下の関係にしたがって半径方向で変更される場合には、印加される電界が一定の周波数を維持するときに、電子は励起する電界と同相のままであろう。即ち、
Ｂ（ｒ）＝Ｂ_０／γ＝Ｂ_０／√（１−（ｆ×２×π×ｒ／ｃ^２））
ただし、Ｂは磁界であり、ｒは図２の点２４１からの半径であり、Ｂ_０は非相対論的なサイクロトロン周波数である。磁界Ｂの大きさは、点２４１から、半導体構造１２２の表面に対して平行な面にわたって変化する。この場合、電子は、バーストではなく、連続して放出されるであろう。

そのような磁界Ｂ（ｒ）によって形成される等磁位線は、図２に示される構造のサイズが比較的小さいことによって、その構造によって十分に効率的になされ得る。たとえば、半導体製造工程を用いて半導体ダイ１２２及び１２４の一方または双方の上に形成される磁界誘導コイルが、電極２３２、２３４、２３６、２３８の近くに配置され得る。そのようなコイルを用いて、外部からの一様な磁界を偏らせることができるか、又は磁界をそっくりそのまま生成することができる。

上述したように、Ｘ線発生装置１００の内部チャンバ１２０（図１）は真空状態を含む。電界放出器２２０によって放出され、偏向機構によって偏向される電子は、経路２１８、２４２及び２４４に沿って、その真空内を進む。真空は、Ｘ線発生装置１００の製造時にもたらされ、ゲッタ（図示せず）を用いることにより、Ｘ線発生装置１００の寿命にわたって維持される。ゲッタは、Ｘ線発生装置１００のチャンバ１２０（図１）内の汚染物ガスを除去するように設計される。電子ビームは汚染物ガスを除去するのを支援する傾向があるので、放出される電子ビームもゲッタデバイスの一部とすることができる。

図３は、半導体ベースの電界放出器２２０（図２）をさらに詳細に示す。電界放出器先端部２２２が、半導体ダイ１２４に形成された陰極２２４から、鋭く尖った先端まで隆起する。電界放出器先端部２２２は、シリコンなどの半導体材料から形成される。代案として、電界放出器先端部２２２は金属から形成されてもよい。陰極２２４は導電性であり、シリコン、ポリシリコン、金属、又は任意の他の導電性材料から形成され得る。電界放出器先端部２２２の先端の上方および周りにアパーチャ２２８を有する陽極２２６によって、電界放出器先端部２２２の近くに、局所的な電界が印加される。その電界は、陰極２２４と陽極２２６との間に生成される。電界を印加することによって、電子は、より低い位置エネルギー障壁を量子力学的に突き抜けることにより、電界放出器先端部２２２の鋭く尖った先端から放出される。電界放出器２２２、陰極２２４及び陽極２２６はまとまって、グリッド又は抽出器２０８を形成する。

Ｘ線発生装置１００は半導体技術を利用するので、Ｘ線発生装置１００は、従来のＸ線源（たとえばＸ線管を用いるＸ線源）よりもはるかに小さくすることができる。Ｘ線発生装置１００のサイズを小さくすることにより、人体内、機械または他の構造の狭い空間内などの小さな空間内でＸ線発生装置１００を用いることができるようになる。また、Ｘ線発生装置１００のサイズを小さくすることは、その装置が軽量になり、持ち運びできるようになることも意味する。

さらに、半導体技術を利用することにより、Ｘ線発生装置１００は、比較的高い費用対効果で製造され得る。また、半導体ベースの技術を用いることにより、消費電力が比較的少ない高速の回路がもたらされる。Ｘ線発生装置１００は、従来のＸ線源よりも迅速に活性化する。また、サイクロトロン技術に基づいた加速器部分を用いることにより、従来のＸ線管に用いられる高い電圧を利用する必要がなくなる。電圧が小さくなる結果として、消費電力が少なくなり、かつ安全性が高まる。消費電力を少なくすることにより、いくつかの具現化形態によるＸ線発生装置１００は電池によっても動作することができる。

上記の説明では、本発明の理解を提供するために、多くの細部が述べられている。しかしながら、本発明がこれらの細部を用いることなく実施され得ることは、当業者には理解されよう。本発明はいくつかの実施形態に関連して開示されてきたが、それらの実施形態からの多くの修正形態および変形形態を当業者は理解するであろう。添付の特許請求の範囲は、本発明の真の思想および範囲内に入るような、そのような修正形態および変形形態を網羅することが意図されている。

一実施形態による、２つの平行な半導体ダイを有する電子ビーム発生器を含むＸ線発生装置の一部を示す図である。一実施形態による、放出された電子がターゲットに衝突して、ターゲットからＸ線が生成されるようにする、図１の電子ビーム発生器において生成される、放出された電子の経路を示す図である。一実施形態による、図１の電子ビーム発生器内の半導体ダイのうちの１つの上に形成された、半導体ベースの冷陰極電界放出器を示す図である。

符号の説明

100 Ｘ線発生装置
108 ターゲット
122、124 半導体ダイ
220 電界放出器

Claims

Ｘ線発生装置であって、
第１と第２の半導体構造であって、前記第１の半導体構造が前記第２の半導体構造から間隔をおいて配置されている、第１と第２の半導体構造と、
前記第１の半導体構造上に形成され、前記第１と第２の半導体構造との間の空間の経路に沿って進む電子を放出するための放出器と、及び
電子により衝撃を与えることに応じてＸ線を発生させ、前記放出器から反対側の、前記半導体構造の端部から放出された電子を受け取るように配置された要素とを備える、Ｘ線発生装置。
電子の経路を偏向させるための偏向機構をさらに含み、前記偏向機構が前記第１と第２の半導体構造上に形成された電極を含む、請求項１に記載のＸ線発生装置。
前記偏向機構が、電子を第１の経路から第２の経路に偏向させるように適合され、前記第１の経路が前記第２の経路に対して０°以外の角度をなす、請求項２に記載のＸ線発生装置。
前記偏向機構が、電界または磁界を発生させて、電子を偏向させるように適合されている、請求項３に記載のＸ線発生装置。
前記放出器が電界放出器からなる、請求項１に記載のＸ線発生装置。
前記放出器が、前記放出器の先の尖った先端部から放出される電子を集束するためのレンズ要素を含む、請求項１に記載のＸ線発生装置。
前記放出器が、前記放出器の先の尖った先端部から放出される電子をコリメートするためのレンズ要素を含む、請求項１に記載のＸ線発生装置。
前記半導体構造上に形成される電極を有する加速器をさらに含み、前記加速器が電子を加速する、請求項１に記載のＸ線発生装置。
磁界をかけて、電子が曲線を描く経路で進むようにするための磁気素子をさらに含む、請求項８に記載のＸ線発生装置。
前記加速器が前記磁界内に入れられるように配置される、請求項９に記載のＸ線発生装置。
前記電極に交流（ＡＣ）信号を印加するための回路をさらに含む、請求項９に記載のＸ線発生装置。
前記加速器がサイクロトロンからなる、請求項１１に記載のＸ線発生装置。
前記第１と第２の半導体構造のそれぞれの上に形成された加速器電極を含む、請求項８に記載のＸ線発生装置。
Ｘ線を発生させる方法であって、
電子を放出するように、第１の半導体構造上の放出器を活性化し、
前記第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の空間に延びる経路に沿って、ターゲット上へと電子を導いて、前記ターゲットがＸ線を発生するようにすることを含み、
前記第１と第２の半導体構造が電子の進む経路の両側に配置され、前記ターゲットが、前記放出器から反対側の、前記半導体構造の端部から放出された電子を受け取るように配置されている、Ｘ線を発生させる方法。
前記放出器を活性化することは、前記放出器の先の尖った先端部から電子を放出するように電界を発生させることを含む、請求項１４に記載のＸ線を発生させる方法。
レンズ要素を用いて、放出された電子をコリメートすることをさらに含む、請求項１５に記載のＸ線を発生させる方法。
前記電子を導くことが、前記第１と第２の半導体構造上に電極を有する偏向器を用いて電子を偏向させることを含む、請求項１４に記載のＸ線を発生させる方法。
前記第２の経路で進む電子を加速して、電子が前記ターゲット上に衝突する前に、電子のエネルギーを高めることをさらに含む、請求項１７に記載のＸ線を発生させる方法。
前記電子を加速することが、前記第１と第２の半導体構造のそれぞれの上に形成された電極を有する加速器でもって電子を加速することを含む、請求項１８に記載のＸ線を発生させる方法。
磁界をかけることをさらに含み、前記加速器が前記磁界内に入れられる、請求項１９に記載のＸ線を発生させる方法。