JP5211664B2 - 電界放出型電子源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電界放出型電子源を用いた電界放出型電子源装置に関するものである。
従来の電界放出型電子源を用いた電界放出型電子源装置の一例を図10に示す。従来の電界放出型電子源装置は、光透過性のガラス部材からなる前面パネル1と、背面パネル2と、側面外囲器3とで構成された真空容器を備える。側面外囲器3と背面パネル2は、例えば高温焼成用のフリットガラス真空封着材4により固着される。一方、側面外囲器3と前面パネル1は、例えば低温封着用にインジウム(In)などの真空封着材5により封着され、真空容器内は真空状態に保たれている。背面パネル2の下部には、余分なガスを吸着することにより内部を高真空状態に保持するためのゲッターポンプ30が設置されている(例えば、特許文献1参照。)。
背面パネル2の内面上には、電子源アレイ7が設置されている。側面外囲器3の内壁にはグリッド電極10が設置固定されている。前面パネル1のグリッド電極10に対向する内面上には、光透過性の陽極電極11とターゲット12が形成されている。ターゲット12は、前面パネル1の上面から入射した光に応じた電荷を蓄積する光電変換膜である。光電変換膜中で発生、蓄積された信号電荷は、ターゲット12の空間分布として時系列的電気信号として外部に取り出される。
グリッド電極10は、複数の貫通孔13が形成され、貫通孔13は、電子源アレイ7から放出された電子ビームの通過行路となる。グリッド電極10は、ターゲット12から放出されるガスによる正イオンや余剰電子による電子源アレイ7の損傷を防護し、電子源アレイの動作安定、低雑音を実現するものである。
グリッド電極と電子源アレイの位置合わせ(アライメント)を行うために、次のようなアライメント装置が知られている。図11に、そのアライメント装置の斜視図を示す。基板保持ステージ26には基板27が設置され、基板保持ステージ26は、水平、垂直の2軸に可動する微動テーブル28に、微動テーブル28は、同じく水平、垂直の2軸の可動する粗動テーブル29に設置される。粗動テーブル29には、粗調整後の粗動テーブル29の位置を固定するブレーキ手段が設置される(図示せず)。粗動テーブル29はサーボモータによって制御され、微動テーブル28はピエゾ素子によって制御される(例えば、特許文献2参照。)。
基板27を目標制御位置に合わせる場合、粗動テーブル29による粗調整が行われ、その粗調整位置がブレーキ手段により固定される。この粗調整により、概略目標精度近傍へのアライメントが達成される。粗調整ののちに、微動テーブル28により目標制御位置への微調整が行われる。この構成によれば実質的に1回の粗調整と、1回の微調整の2段階の制御で高精度の位置決めが可能になる。
特開2000−48743号公報 国際公開第01/091534号パンフレット
しかしながら、前記従来の構成では、粗調整と微調整とを組み合わせてそれぞれ一回の調整でアライメントを行うため、粗調整機構はサーボモータにより駆動が必要であり、且つブレーキ手段によってサーボモータの1パルス分の位置ズレを防止する必要があった。すなわち、短い時間でアライメントをおこなうためには、精巧な粗調整機構を必要とするという課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、精巧な粗調整機構を用いることなく機械的な位置決めをした後、微調整を行うことでアライメントできる電界放出型電子源装置を提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明の電界放出型電子源装置は、電子源アレイが形成された半導体基板と前記電子源アレイの上部に配置された複数の貫通孔を有するグリッド電極とを備え、前記電子源アレイの上部に配置された複数の貫通孔は、電子源アレイから放出される電子ビームの通過経路をなすとともに、前記電子源アレイの電子源セルの配列数よりも前記貫通孔の配列数が多く、前記電子源アレイの電子源セルの配列ピッチは、前記貫通孔の配列ピッチとほぼ等しい構成としたことを特徴としたものである。
さらに、前記グリッド電極は、前記貫通孔の配列領域の外側に位置合わせ用貫通孔を有し、前記半導体基板には前記位置合わせ用貫通孔に対応した位置合わせ用マークを有することを特徴としたものである。
また、本発明は、前記グリッド電極には前記貫通孔の配列領域の外側に位置合わせ用の複数の貫通孔領域を有し、前記半導体基板には前記位置合わせ用貫通孔領域に対応した位置合わせ用マーク領域を有し、前記位置合わせ用貫通孔領域のピッチと前記位置合わせ用マーク領域のピッチとが異なることを特徴としたものである。
本発明の電界放出型電子源装置によれば、精巧な粗調整機構を用いることなく機械的な位置決めをした後、微調整をおこなうことで、グリッド電極と電子源アレイとの位置合わせを高精度に行うことができる。これにより、電界放出型電子源装置のターゲット上での電子ビームの広がりを縮小し、より高解像度の画像表示装置あるいは撮像装置を実現することができる。
以下に、本発明の電界放出型電子源装置の実施の形態を図面とともに説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における電界放出型電子源装置の断面図を示す。
図1において、光透過性のガラス部材からなる前面パネル1と、背面パネル2と、側面外囲器3とで構成された真空容器を備える。側面外囲器3と背面パネル2は、例えば高温焼成用のフリットガラス真空封着材4により固着される。一方、側面外囲器3と前面パネル1は、インジウム(In)などの真空封着材5およびそれを保持する金属枠6により封着され、真空容器を構成している。
背面パネル2の内面上には、電子源アレイ7が形成された半導体基板8が設置される。半導体基板8上には、スペーサ部9を備えるグリッド電極10が設置固定される。前面パネル1の電子源アレイ7に対向する内面には、光透過性の陽極電極11とターゲット12が形成される。また、前面パネル1、背面パネル2、側面外囲器3で構成される真空容器内部には、余分なガスを吸着するゲッターポンプが設置され(図示せず)、真空容器内を高真空状態に保持している。
半導体基板8の電子源アレイ7は、それぞれが独立して駆動される電子源セルが縦横のマトリクス状に配置される。
グリッド電極10には、電子ビームを通過させるための複数の貫通孔13が配置され、貫通孔13は、グリッド電極10の厚さ方向に連続した電子ビーム通過行路を備え、その長さは、開口の径より十分に大きいものである。貫通孔13は、半導体基板8の電子源アレイ7の電子源セル14に対応するように、同じ配列ピッチで構成され、その配列数は、電子源アレイの配列数よりも貫通孔の配列数が多く形成されている。
図2は、電子源アレイ7およびグリッド電極の上面図およびa−a’位置での断面図を示す。グリッド電極10は電子源アレイ7の上面に設置される。グリッド電極10の貫通孔13の配列領域は、電子源アレイ7の電子源セルの配列領域(図2中の破線で表記。)を包含するように形成される。a−a’断面図において、グリッド電極10は、貫通孔13の配列領域の幅Aが電子源アレイ7の電子源セルの配列領域の幅Bより大きく、電子源アレイ7の電子源セルの配列領域の周辺部に貫通孔のマージン領域Cを有している。断面図での説明を省略したが、図2の縦方向の貫通孔13の配列領域も同様に、電子源アレイ7のセルの配列領域の周辺部に貫通孔のマージン領域を有している。
次に、半導体基板およびグリッド電極の製作方法について説明する。半導体基板は、シリコン(Si)からなり、電子源アレイは、LSIなどの半導体デバイス製造で使用される微細加工技術を用いて製作される。加工基板上にホトリソグラフィを用いて微細な絵レジストパターンを作製し、その後エッチング法により形状加工を行う。この方法により、電子源アレイは、サブミクロンの加工精度で作製できる。グリッド電極はシリコンからなり、電子ビームを通過させる貫通孔は、同様な微細加工技術を用いて製作出来る。この貫通孔も、サブミクロン精度の位置精度で作製できるものである。
本実施の形態1で用いた主要な構成要素の代表的な寸法等は、以下に示す通りとする。電子源アレイは、1インチ型の撮像デバイスに対応するものであって、その解像度はVGA仕様(水平方向640ドットx垂直方向480ドット)のものを用いた。ひとつの画素に相当する電子源セルの大きさは、縦横いずれも約20μm角となり、その配列ピッチは20μmである。電子源アレイにおける電子源セルの配列領域のサイズは、横方向12.8mm、縦方向9.6mmである。グリッド電極の電子ビームを通過させる貫通孔の大きさは、15μmの略四角形状をしており、その配列ピッチは20μmとなる。貫通孔の配列数は、水平方向660、垂直方向500である。貫通孔の外形サイズは、横方向13.2mm、縦方向10.0mmである。
次に図3を用いて本発明の実施の形態1に係る電界放出型電子源装置の組立て手順を説明する。図3は、電界放出型電子源装置の組立て手順の概略(断面図)を示す。図3(a)は、背面パネル2に側面外囲器3を予めフリットガラス真空封着材4で固着したパネル構造材と半導体基板8を組立てる工程、図3(b)は、(a)に続き、半導体基板8にグリッド電極10を取り付ける工程、図3(c)は、(b)に引き続き、インジウム真空封着材5が装着された金属枠6を介して前面パネル1を側面外囲器3の端部に封着する工程、図3(d)は完成状態の電界放出型電子源装置を示す。
ここでは説明を省いたが、図3(a)と(b)の間では、電子源アレイ7およびグリッド電極10に所望の電圧を供給するために、半導体基板8上に形成された配線パターンと背面パネル2上に形成された配線パターンとをワイヤーボンディング等により電気的に接続する工程と、図3(c)では、真空容器内を真空化するための空焼き工程および排気工程、ゲッターポンプを活性化させるゲッターフラッシュ工程がある(いずれも図示せず)。
図4は、本発明の実施の形態1で用いたアライメント装置の構成を示す。固定基盤15上に微調整が可能な可動テーブル16が設置され、可動テーブル16に取り付けられたアームの先端には、上下可動ヘッド17が設置される。上下可動ヘッド17の先端には保持器が設置され、保持器の先端には真空吸着機構を備え、グリッド電極10を保持することができる。また、固定基盤15上には、固定治具18および固定治具18を機械的に位置決めするガイド19が設置される。固定治具18の上面には半導体基板8が取り付けられた背面パネル2が保持される。
可動テーブル16は、水平および垂直の2軸のステージ機能を有し、それぞれ圧電アクチュエータで駆動制御される微動手段を持つ。微動手段の可動範囲30μm、送り精度は1μmのものを用いた。
固定治具18を固定基盤15上にガイド19に沿って固定した時点では、電子源セルの中心軸と貫通孔の中心軸は一致していない。次に、電子源セルと貫通孔のそれぞれの中心軸が一致するように可動テーブル16によってグリッド電極の位置が調整される。電子源セルの中心軸と貫通孔の中心軸が一致した時点で、上下可動ヘッド17によってグリッド電極が半導体基板上に設置、固定される。
従来のような貫通孔の配列数と電子源セルの配列数が同一であるグリッド電極と電子源アレイを用いた場合、貫通孔と電子源セルのマトリクス配列位置を完全に一致させる必要がある。そのため、貫通孔または電子源セルの配列ピッチ以下の高い位置精度で粗調整する機能と、電子源セルと貫通孔のそれぞれの中心軸が一致するように微調整する機能を有するアライメント装置が必要であった。
本実施の形態1によれば、貫通孔の配列数が電子源セルの配列数より多く形成されていることにより貫通孔のマージン領域の範囲で、初期位置決めすればよく、ガイド19のような機械的な位置決め手段によって容易に初期位置決めすることができる。そのため、従来のような高精度な粗調整機能を有するアライメント装置を用いることなく、高精度な位置決めをすることが可能となる。
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2における半導体基板とグリッド電極電界放出型電子源装置の上面図およびa−a'位置での断面図を示す。実施の形態2における電界放出型電子源装置の基本構成は図1と同じであるので、図による説明は省略する。
グリッド電極10は、半導体基板8の上に設置される。半導体基板8の上面には電子源アレイ7が設置され、グリッド電極10には貫通孔13が設置される。貫通孔13の配列数は、電子源アレイ7の電子源セルの配列数より多く、貫通孔13と電子源セルの配列ピッチは同一であり、貫通孔13の配列領域は、電子源セルの配列領域を包含するように設置されている点は、実施の形態1と同じである。
実施の形態1の構成と異なるところは、グリッド電極10の貫通孔13の配列領域の外側に位置合わせ用の貫通孔20、半導体基板8には位置合わせ用貫通孔20に対応した位置に位置合わせマーク21を設けた点である。位置合わせマーク21は、電子源アレイ7の電子源セルの配列ピッチの整数倍で、電子源セルの縦横の配列方向に平行に配列される。
図5では、位置合わせマーク21は12μm角の正方形で、電子源セルの配列ピッチの等倍の20μm、縦7列、横7行のマトリクスで配列される。位置合わせ用貫通孔20の開口形状は15μm角の正方形とした。他の構成要素の代表的な寸法は、実施の形態1と同じである。
組立て手順とアライメント装置についても、実施の形態1で示した図3と図4と同じである。実施の形態1と異なるところは、電子源アレイ7とグリッド電極10とを位置合わせする工程において、実施の形態1では、電子源アレイ7の電子源セルとグリッド電極10の貫通孔13を基準に位置合わせを行ったが、実施の形態2では、位置合わせマーク21と位置合わせ用貫通孔20を用いる点である。
固定治具18を固定基盤15上にガイドに沿って固定した時点では、位置合わせマーク21の中心軸と位置合わせ用貫通孔20の中心軸は一致していない状態である。しかしならが、位置合わせ用貫通孔20は、位置合わせマーク21のマトリクス配列の領域に位置するように、固定治具18がガイドによって機械的に固定される。
次に、位置合わせ用貫通孔20と最寄りの位置合わせマーク21との中心軸が一致するように可動テーブル16によってグリッド電極の位置が調整される。位置合わせ用貫通孔20の中心軸と位置合わせマーク21の中心軸が一致した時点で、上下可動ヘッド17によってグリッド電極が半導体基板上に設置、固定される。
半導体基板8上の位置合わせマーク21は、電子源アレイ7と同様の半導体製造における微細加工技術を用いて製作できる。そのため、電子源アレイ7の電子源セル配列と位置合わせマーク21の配列はサブミクロンの位置精度で作製することができる。グリッド電極の位置合わせ用貫通孔20も、グリッド電極10と同様の微細加工技術を用いて製作できる。そのため、グリッド電極10と電子ビームが通過する貫通孔13の配列と位置合わせ用貫通孔20も、サブミクロンの位置精度で作製できる。その結果、位置合わせ用貫通孔20の中心軸と位置合わせマーク21の中心軸が一致するように位置合わせされたとき、電子源セルの中心軸と貫通孔の中心軸もまた一致する。
ここでは、位置合わせ用貫通孔20および位置合わせマーク21は、単純な正方形としたが、たとえば、図6(b)に示すように、位置合わせ用貫通孔20の孔形状を略四角に凹形状の切り欠き部を設けた形状とし、一方の位置合わせマーク21は、図6(a)に示すように、+字形状とすることができる。この位置検出マークの認識手段として、CCDカメラや赤外線カメラ、X線カメラなどの画像センサーを用いた場合、図6のような位置合わせマークの形状とすることにより位置合わせ精度をより改善することができる。
なお、本実施の形態では、位置検出マークを電子源アレイのセル配置のピッチの同じピッチで配置したが、セル配置のピッチの整数倍であれば同様の効果を得ることができる。
また、以上の説明は、電子源アレイの位置検出マークを複数にしたが、反対にグリッド電極の位置検出マークを複数にする構成をとってもよい。例えば、図7に示すように、グリッド電極10の貫通孔配列13が形成された領域の外側に、位置検出用貫通孔22が電子ビーム通過孔の貫通孔13の配列のピッチの同じピッチで複数配置され、この位置検出用貫通孔22が対向する位置の半導体基板8の上面に位置検出用マーク23が形成される。
(実施の形態3)
図8は、本発明の実施の形態3における電界放出型電子源装置のグリッド電極10および半導体基板8を模式的に表した正面図および水平断面図(a−a'位置)を示す。実施の形態3における電界放出型電子源装置の基本構成は図1と同じであるので、図による説明は省略する。
グリッド電極10は、半導体基板8の上に設置される。半導体基板8の上面には電子源アレイ7が設置され、グリッド電極10には貫通孔13が設置される。貫通孔13の配列数は、電子源アレイの電子源セルの配列数より多く、貫通孔13と電子源セルの配列ピッチは同一であり、貫通孔13の配列領域は、電子源セルの配列領域を包含するように設置されている点は、実施の形態1と同じである。
実施の形態2との相違点は、位置合わせ用貫通孔領域24と位置合わせ用マーク領域25が水平と垂直方向の2方向に配列される点である。
位置合わせ用貫通孔領域24は、電子ビームが通過する貫通孔13のマトリクス配列に平行に、貫通孔13の外側に水平および垂直方向に配置される。位置合わせ用マーク領域25は、位置合わせ用貫通孔領域24に対応した位置に配置される。位置合わせ用貫通孔領域24は、複数の位置合わせ用貫通孔の配列で構成され、その配列ピッチは一定である。位置合わせ用マーク領域25は、複数の位置合わせマークの配列で構成され、その配列ピッチも一定である。位置合わせ用貫通孔の配列ピッチと位置合わせマークの配列ピッチは異なっている。
具体的な寸法として、位置合わせ用貫通孔の配列ピッチP2は、電子ビーム透過貫通孔の配列ピッチと同じ20μmとし、位置合わせ用マークの配列ピッチP1は、P2よりわずかに小さい19μmとした。
半導体基板8上の位置合わせマーク領域25は、半導体製造における微細加工技術を用いて、電子源アレイの形成と同様に製作される。そのため、電子源アレイのセル配置と位置合わせマーク領域25はサブミクロン精度の十分な位置精度で製作される。同様に、グリッド電極10の位置合わせ用貫通孔領域24についても、半導体製造における微細加工技術を用いて、電子ビーム通過の貫通孔13の形成と同様に製作される。そのため、電子ビーム通過孔の貫通孔13の配列と位置合わせ用貫通孔領域24についても十分な位置精度で製作されている。
組立て手順とアライメント装置について、実施の形態1で示した図3と図4と同じである。実施の形態2と異なるところは、電子源アレイ7とグリッド電極10とを位置合わせする工程において、実施の形態2では、位置合わせマーク21と位置合わせ用貫通孔20を用いたが、実施の形態3では、位置合わせマーク領域25と位置合わせ用貫通孔領域24を用いる点である。
図9は、位置合わせ用貫通孔領域24を通して位置合わせ用マーク領域25を目視あるいはCCDカメラ等の位置認識手段にて観察した波形を示す図である。位置合わせ用マーク領域25の位置合わせ用マーク配列を正弦波として実線で、位置合わせ用貫通孔領域24の位置合わせ用貫通孔配列を正弦波として破線で示している。実線の太線は、位置合わせ用貫通孔領域24を通した位置合わせ用マーク領域25を観察したとき空間分布を示す。このとき位置合わせ用貫通孔領域24を通した位置合わせ用マーク領域25を観察したとき空間分布(実線の太線)は、位置合わせ用貫通孔領域24、位置合わせ用マーク領域25の配列ピッチP1、P2よりもはるかに大きな明暗の分布を形成する。所謂、干渉波形を形成する。
本実施の形態によれば、電子源アレイ7とグリッド電極10を位置合わせする際、位置合わせ用貫通孔領域を通した位置合わせ用マーク領域25を観測することによって、実施の形態2の位置合わせ用貫通孔あるいは、位置合わせ用マークの配列ピッチよりも十分に大きな分布(干渉波形)の位置の変化として、電子源アレイ7とグリッド電極10の位置ずれ量を検出することができる。そのため、より高精度な位置検出ができることにより、より高精度な位置合わせが可能となる。
これまでは、1軸方向の位置合わせ用貫通孔領域を通した位置合わせ用マーク領域25による位置合わせ方法を説明したが、実施の形態3では、位置合わせ用貫通孔領域と位置合わせ用マーク領域25は、水平および垂直方向に配置されるので、水平および垂直方向の2軸方向について同様に、高精度な位置合わせが可能となるものである。
なお、本実施の形態では、位置合わせ用貫通孔領域24のピッチP2は、電子ビーム透過の貫通孔13と同じ20μmとし、位置合わせ用マーク領域25のピッチP1は19μmとしたが、これは目標位置決め精度、認識手段の能力(解像度、拡大倍率)によって適宜選択することができる。
本発明にかかる電界放出型電子源装置では、グリッド電極と電子源アレイを簡易かつ高精度に位置合わせできる機能を有し、電界放出型電子源装置のターゲット上での電子ビームの広がりを縮小することができ、より高解像度の画像表示装置あるいは撮像装置等として有用である。
本発明の実施の形態1における電界放出型電子源装置の側面の断面図 本発明の実施の形態1におけるグリッド電極および半導体基板の上面図および断面図 本発明の実施の形態1における電界放出型電子源装置の組み立て手順を示す図 本発明の実施の形態1におけるグリッド電極および半導体基板の位置合わせ装置を示す図 本発明の実施の形態2におけるグリッド電極および半導体基板の上面図および断面図 本発明の実施の形態2における位置合わせ用マークおよび位置合わせ用貫通孔形状を示す図 本発明の実施の形態2におけるグリッド電極および半導体基板の上面図および断面図 本発明の実施の形態3におけるグリッド電極および半導体基板の上面図および断面図 本発明の実施の形態3における位置合わせ用貫通孔領域を通して位置合わせ用マーク領域を観察した図 従来の電界放出型電子源装置の側面の断面図 従来のアライメント装置を示す図
符号の説明
1 前面パネル
2 背面パネル
3 側面外囲器
4 フリットガラス真空封着材
5 インジウム真空封着材
6 金属枠
7 電子源アレイ
8 半導体基板
9 スペーサ部
10 グリッド電極
11 陽極電極
12 ターゲット
13 貫通孔
14 電子源セル
15 固定基盤
16 可動テーブル
17 上下可動ヘッド
18 固定治具
19 ガイド
20 位置合わせ用貫通孔
21 位置合わせ用マーク
22 位置合わせ用貫通孔
23 位置合わせ用マーク
24 位置検出用貫通孔領域
25 位置合わせ用マーク領域
28 微動テーブル
26 基板保持ステージ
27 基板
29 粗動テーブル
30 ゲッターポンプ

Claims (6)

  1. 電子源アレイが形成された半導体基板と前記電子源アレイの上部に配置された複数の貫通孔を有するグリッド電極とを備えた電界放出型電子源装置であって、
    前記電子源アレイの上部に配置された複数の貫通孔は、電子源アレイから放出される電子ビームの通過経路をなすとともに、
    前記電子源アレイの電子源セルの配列数よりも前記貫通孔の配列数が多く、前記電子源アレイの電子源セルの配列ピッチは、前記貫通孔の配列ピッチとほぼ等しい構成とした電界放出型電子源装置。
  2. 前記貫通孔の配列領域は、前記電子源アレイの電子源セルの配列領域を包含するように形成されている請求項1に記載の電界放出型電子源装置。
  3. 前記グリッド電極は、前記貫通孔の配列領域の外側に位置合わせ用貫通孔を有し、前記半導体基板には前記位置合わせ用貫通孔に対応した位置合わせ用マークを有する請求項1に記載の電界放出型電子源装置。
  4. 前記位置合わせ用貫通孔は、前記貫通孔の配列ピッチの整数倍で複数配列された請求項に記載の電界放出型電子源装置。
  5. 前記位置合わせ用マークは、前記電界放出型電子源アレイの電子源セル配列ピッチの整数倍で複数配列された請求項に記載の電界放出型電子源装置。
  6. 前記グリッド電極には前記貫通孔の配列領域の外側に位置合わせ用の複数の貫通孔領域を有し、前記半導体基板には前記位置合わせ用貫通孔領域に対応した位置合わせ用マーク領域を有し、前記位置合わせ用貫通孔領域のピッチと前記位置合わせ用マーク領域のピッチとが異なる請求項1に記載の電界放出型電子源装置。
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