イオン源
【課題】本発明は、イオン源に関する。
【解決手段】本発明のイオン源は、真空容器と、電界放出電子源と、イオン電極と、を含む。前記イオン電極は、真空容器の一端に設置される。前記電界放出電子源は、真空容器に設置される。前記電界放出電子源は、絶縁基板、電子引き出し電極、二次電子放出層、陰極板及び電界放出ユニットを含む。前記電子引き出し電極及び二次電子放出層は、前記絶縁基板に配置され、前記陰極板は、前記電子引き出し電極と間隔をおいて絶縁的に配置され、前記陰極板の一部が前記二次電子放出層に対向する。前記陰極板は、一つの電子放出部を含む。前記電界放出ユニットは、前記陰極板の二次電子放出層に対向する表面に配置される。
【解決手段】本発明のイオン源は、真空容器と、電界放出電子源と、イオン電極と、を含む。前記イオン電極は、真空容器の一端に設置される。前記電界放出電子源は、真空容器に設置される。前記電界放出電子源は、絶縁基板、電子引き出し電極、二次電子放出層、陰極板及び電界放出ユニットを含む。前記電子引き出し電極及び二次電子放出層は、前記絶縁基板に配置され、前記陰極板は、前記電子引き出し電極と間隔をおいて絶縁的に配置され、前記陰極板の一部が前記二次電子放出層に対向する。前記陰極板は、一つの電子放出部を含む。前記電界放出ユニットは、前記陰極板の二次電子放出層に対向する表面に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン源に関し、特に電界放出電子源を採用するイオン源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電界放出電子源は、イオン源の重要な部品として用いられている。前記電界放出電子源は、イオン源に電子を提供して作業気体分子と衝突させることにより、前記気体分子が電離されてイオンを生じる。
【０００３】
従来の電界放出電子源は、絶縁基板と、前記絶縁基板に配置された陰極と、前記陰極の上に配置された複数の電界放出体と、貫通孔を含む絶縁隔離層と、陽極と、を含む。前記絶縁隔離層は、前記絶縁基板に配置され、前記電界放出体は、前記絶縁隔離層の貫通孔によって暴露される。前記陽極と陰極は、間隔おいて対向するように配置される。前記陽極と陰極の間に電圧を印加すると、その間に電場が形成される。これにより、前記電界放出体から電子が放出され、前記電子は、前記絶縁隔離層の貫通孔を通じて陽極に到達する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記電界放出体から放出された電子が、イオン源の作業気体分子と衝突し、これにより前記気体分子が電離されてイオンになる。且つ、該イオンは、低電位である陰極の方向に移動する。この場合、前記電界放出体は、前記絶縁隔離層の貫通孔で暴露されており、前記電界放出体は前記イオンに衝突されやすい。従って、前記電界放出体が破壊されるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、前記課題を解決するために、本発明は、電界放出体にイオンが衝突することを防止できるイオン源を提供する。
【０００６】
本発明のイオン源は、真空容器と、電界放出電子源と、イオン電極と、を含む。前記真空容器は、電離室と、イオン放出口と、進気口と、を含む。前記イオン電極は、前記真空容器のイオン放出口に設置される。前記電界放出電子源は、前記真空容器の電離室に設置される。前記電界放出電子源は、絶縁基板と、電子引き出し電極と、二次電子放出層と、陰極板と、電界放出ユニットと、を含む。前記電子引き出し電極及び二次電子放出層は、前記絶縁基板の一つの表面に配置される。前記陰極板は、一つの第一絶縁隔離層によって前記電子引き出し電極と間隔をおいて絶縁的に配置される。前記陰極板の少なくとも一部が前記二次電子放出層に対向し、前記陰極板は、少なくとも一つの電子放出部を含み、該電子放出部が前記真空容器のイオン放出口に対向し、前記電界放出ユニットは、前記陰極板の前記二次電子放出層に対向する表面に配置される。
【０００７】
本発明のイオン源は、真空容器と、電界放出電子源と、陽極と、を含む。前記真空容器は、対向する二つの端部と、側壁と、を含み、該対向する二つの端部及び側壁は、一つの電離室を構成し、該側壁に進気口が形成され、前記二つの端部にそれぞれイオン放出口及び電子注入孔が形成される。前記陽極は、前記真空容器の電離室に設置される。前記電界放出電子源は、前記電子注入孔に隣接して前記真空容器の外部に配置される。前記電界放出電子源は、絶縁基板と、電子引き出し電極と、二次電子放出層と、陰極板と、電界放出ユニットと、を含む。前記電子引き出し電極及び二次電子放出層は、前記絶縁基板の一つの表面に配置される。前記陰極板は、一つの第一絶縁隔離層によって前記電子引き出し電極と間隔をおいて絶縁的に配置される。前記陰極板の少なくとも一部が前記二次電子放出層に対向し、前記陰極板は、少なくとも一つの電子放出部を含み、該電子放出部が前記真空容器の電子注入孔に対向し、前記電界放出ユニットは、前記陰極板の前記二次電子放出層に対向する表面に配置される。
【０００８】
本発明のイオン源は、絶縁層と、電界放出電子源と、イオン電極と、を含む。前記電界放出電子源は、絶縁基板と、電子引き出し電極と、二次電子放出層と、陰極板と、電界放出ユニットと、グリッド電極と、を含む。前記電子引き出し電極及び二次電子放出層は、前記絶縁基板の一つの表面に順に配置される。前記陰極板は、一つの第一絶縁隔離層によって前記電子引き出し電極と間隔をおいて絶縁的に配置される。前記陰極板の少なくとも一部が前記二次電子放出層に対向し、前記陰極板は、少なくとも一つの電子放出部を含み、前記電界放出ユニットは、前記陰極板の二次電子放出層に対向する表面に配置される。前記グリッド電極は、前記陰極板の二次電子放出層と反対側の表面にそれに絶縁的に配置される。前記絶縁層は、前記電界放出電子源のグリッド電極の前記絶縁基板と反対側の表面に設置される。前記絶縁層は、真空な第五スルーホールを含み、前記絶縁層の側壁に進気口が形成されている。前記イオン電極は、前記絶縁層のグリッド電極と反対側の端面に接触するように配置される。
【０００９】
前記電界放出ユニットは、複数の電界放出体を含み、各々の電界放出体は、電界放出部を含み、前記電界放出部は、前記二次電子放出層と対向し、前記電界放出部と前記二次電子放出層の間の最大距離が電子とガス分子の平均自由行程より小さい。
【発明の効果】
【００１０】
従来の技術と比べて、本発明のイオン源において、前記電界放出ユニットは、前記陰極板の前記二次電子放出層に対向する一部表面に配置されており、電界放出表示装置などの陽極又はグリッド電極の電圧が前記電界放出電子源の電子引き出し電極及び陰極の電圧より更に高いので、前記電子引き出し電極及び陰極の間の電場を、グリッド電極及び電子引き出し電極の間の電場又は陽極及び電子引き出し電極の間の電場に比べて、小さくすることができる。前記電界放出体から放出された電子が、前記真空環境で移動している少量の気体分子と衝突し、これにより前記気体分子が電離されてイオンになって、前記イオンは前記電子引き出し電極に向かって移動するので、前記電界放出体に前記イオンが衝突しない。これにより、前記電界放出電子源の寿命が長くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係る電界放出電子源の構造を示す図である。
【図２】図１のＩＩ‐ＩＩに沿って切断した断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ‐ＩＩＩに沿って切断した断面図である。
【図４】図１に示す電界放出電子源の製造工程を示す図である。
【図５】本発明の実施例２に係る電界放出電子源の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例３に係る電界放出電子源の構造を示す断面図である。
【図７】本発明の実施例４に係る電界放出電子源の構造を示す断面図である。
【図８】本発明の実施例５に係るイオン源の構造を示す断面図である。
【図９】本発明の実施例６に係るイオン源の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施例７に係るイオン源の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【００１３】
本実施例では、電界放出電子源から、イオン源に電子を放射して、該イオン源における気体分子と衝突することにより、前記気体分子を電離させてイオンを生じる。以下、数種のイオン源に利用できる電界放出電子源について説明する。電界放出電子源は、一つのユニット又は複数のユニットを含むことができる。本発明の実施例には、一つのユニットだけを含む電界放出電子源について説明する。
【００１４】
（実施例１）
図１〜図３を参照すると、本実施例は、電界放出装置１００を提供する。前記電界放出装置１００は、絶縁基板１１０と、第一絶縁隔離層１１２と、陰極１１４と、電界放出ユニット１１６と、電子引き出し電極１１８と、二次電子放出層１２０と、第二絶縁隔離層１２１と、グリッド電極１２２と、を含む。前記電子引き出し電極１１８は、前記絶縁基板１１０の一つの表面（図示せず）に配置される。前記二次電子放出層１２０は、前記電子引き出し電極１１８の前記絶縁基板１１０と反対側の表面に配置される。前記陰極１１４は、第一絶縁隔離層１１２によって前記電子引き出し電極１１８と間隔をおいて対向して配置される。前記電子引き出し電極１１８は、前記陰極１１４及び前記絶縁基板１１０の間に配置されている。前記陰極１１４に一つの第一スルーホール１１４０が形成されている。前記陰極１１４の第一スルーホール１１４０は、前記電子引き出し電極１１８と対向するように配置される。前記電界放出ユニット１１６は、前記陰極１１４の前記電子引き出し電極１１８と対向する表面に配置される。前記グリッド電極１２２は、前記第二絶縁隔離層１２１によって前記陰極１１４と間隔をおいて配置される。前記電界放出ユニット１１６から放出された電子が、前記二次電子放出層１２０に衝突して二次電子が生じる。前記二次電子放出層１２０から放出された二次電子は、前記グリッド電極１２２の作用で前記陰極１１４の第一スルーホール１１４０から放出される。
【００１５】
前記絶縁基板１１０は、シリコン、ガラス、セラミックス、酸化珪素、ポリマーなどの絶縁材料からなる。前記絶縁基板１１０の形状は、円形、方形、矩形である。本実施例において、前記絶縁基板１１０は、厚さが１ｍｍであり、辺長が１０ｍｍの方形ガラス基板である。
【００１６】
前記電子引き出し電極１１８は、金属、合金、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又は導電ペーストからなる導電層である。前記金属は、銅、アルミニウム、金、銀又は鉄である。前記導電ペーストは、金属粉末、低融点ガラス粉末及び接着剤を含む。ここで、前記金属粉末が銀の粉末であり、前記接着剤がテルピネオール又はエチルセルロースであることが好ましい。前記導電ペーストにおける前記金属粉の質量パーセンテージの含有量は５０％〜９０％であり、前記低融点ガラスパウダーの質量パーセンテージの含有量は２％〜１０％であり、前記接着剤の質量パーセンテージの含有量は１０％〜４０％である。前記絶縁基板１１０は、シリコンからなる場合、前記電子引き出し電極１１８は、ドープシリコンであることができる。本実施例において、前記電子引き出し電極１１８は、厚さが２０μｍの円形のアルミニウムフィルムである。前記アルミニウムフィルムは、マグネトロンスパッタリング方法によって前記絶縁基板１１０に堆積されている。
【００１７】
前記二次電子放出層１２０及び前記電子引き出し電極１１８は、積層されている。前記電子引き出し電極１１８は、前記二次電子放出層１２０と前記絶縁基板１１０の間に位置する。前記二次電子放出層１２０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ベリリウム酸化物（ＢｅＯ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化ベリリウム（ＢｅＦ２）、セシウム酸化物（ＣｓＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、銀の酸素セシウム（ＡｇＯＣｓ）、アンチモニー・セシウム合金、銀のマグネシウム合金、ニッケル・ベリリウムの合金、銅のベリリウムの合金またはアルミニウム・マグネシウム合金からなる。前記二次電子放出層１２０の前記電界放出ユニット１１６に対向する表面は、凹凸構造を有する曲面であることができる。本実施例において、前記二次電子放出層１２０は、厚さが２０μｍの円形の酸化バリウムフィルムである。
【００１８】
前記陰極１１４の少なくとも一部が前記二次電子放出層１２０と対向する。前記陰極１１４は、銅、アルミニウム、金、銀などの金属、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又は導電ペーストからなる。前記陰極１１４は、少なくとも一つの孔を含む平板であり、又は、間隔をおいて配列する複数のストリップ状体からなるものである。この場合、前記第一スルーホール１１４０は、前記平板の孔又は前記複数のストリップ状体の間の隙間である。本実施例において、前記陰極１１４は、円形孔を有するアルミニウム導電層である。
【００１９】
前記第一絶縁隔離層１１２を、前記陰極１１４と前記電子引き出し電極１１８の間に配置することにより、前記陰極１１４と前記電子引き出し電極１１８を電気的に絶縁させる。前記第一絶縁隔離層１１２は、感光乳剤、ガラス、酸化物、セラミックス又は酸化珪素などの絶縁材料からなる。前記酸化物は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム又はビスマス酸化物である。前記第一絶縁隔離層１１２は、前記絶縁基板１１０、前記電子引き出し電極１１８又は前記二次電子放出層１２０に配置されることができる。前記第一絶縁隔離層１１２に少なくとも一つの第二スルーホール１１２０が形成されている。前記スルーホール１１２０によって前記二次電子放出層１２０の一部を露出させる。前記第一絶縁隔離層１１２も、少なくとも一つの孔を含む平板であり、又は、間隔をおいて配列する複数のストリップ状体からなるものである。この場合、前記第二スルーホール１１２０は、前記平板の孔又は前記複数のストリップ状体の間の隙間である。前記第一絶縁隔離層１１２の第二スルーホール１１２０は、前記陰極１１４の少なくとも一部に対向する。前記陰極１１４の少なくとも一部は、前記第二スルーホール１１２０によって前記二次電子放出層１２０に対向する。前記第一絶縁隔離層１１２の第二スルーホール１１２０は、前記陰極１１４の第一スルーホール１１４０の少なくとも一部と重畳する。前記第一スルーホール１１４０と第二スルーホール１１２０とが重畳した部分から、電子が放出されることができる。本実施例において、前記第一絶縁隔離層１１２は、ＳＵ−８感光乳剤からなり、その厚さが１００μｍである円環状物であり、前記第一絶縁隔離層１１２は、直接的に前記絶縁基板１１０に配置されている。前記陰極１１４の第一スルーホール１１４０が、前記第一絶縁隔離層１１２の第二スルーホール１１２０の内部領域に位置する。
【００２０】
前記グリッド電極１２２は、前記陰極１１４の前記前記絶縁基板１１０と反対側の表面に配置され、前記第二絶縁隔離層１２１によって前記陰極１１４と電気的に絶縁される。前記グリッド電極１２２は、均一的に分布された複数の微孔を有するネット状構造体である。前記グリッド電極１２２は、金属、合金、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又は導電ペーストからなる。前記グリッド電極１２２の微孔の孔径が３μｍ〜１０００μｍである。前記グリッド電極１２２と前記陰極１１４の間の距離は、１０μｍより大きい。本実施例において、前記グリッド電極１２２は、ステンレス鋼ネットである。更に、前記ステンレス鋼ネットに二次電子放出材料を堆積させて、前記電界放出装置１００の電界放出電流密度を増強させることができる。
【００２１】
前記第二絶縁隔離層１２１は、前記前記グリッド電極１２２と前記陰極１１４の間に配置される。前記第二絶縁隔離層１２１の材料及び形成方法は前記第一絶縁隔離層１１２の材料及び形成方法と同じである。前記第二絶縁隔離層１２１は層状構造を有し、その形状と寸法が前記陰極１１４に対応する。前記第二絶縁隔離層１２１に少なくとも一つの第三スルーホール１２１２が形成されている。前記第三スルーホール１２１２の少なくとも一部は、第一スルーホール１１４０と第二スルーホール１１２０とに重畳する。更に、前記第二絶縁隔離層１２１の前記第三スルーホール１２１２に対応する壁に、二次電子放出材料を堆積することができる。この場合、前記第二絶縁隔離層１２１の厚さが５００μｍ〜１０００μｍである。これにより、前記第二絶縁隔離層１２１の前記第三スルーホール１２１２に対応する壁の二次電子放出材料の面積を増大させる。更に、前記第二絶縁隔離層１２１の前記第三スルーホール１２１２に対応する壁を凹凸構造に形成することにより、前記第二絶縁隔離層１２１の前記第三スルーホール１２１２に対応する壁の二次電子放出材料の面積を増大させることができる。
【００２２】
前記電界放出ユニット１１６は前記二次電子放出層１２０に対向して、前記陰極１１４の前記第二絶縁隔離層１２１と反対側の表面に配置される。好ましくは、前記電界放出ユニット１１６は、前記陰極１１４の第一スルーホール１１４０の近くに配置される。前記電界放出ユニット１１６は、複数の尖端を有する電界放出体１１６２を含む。前記電界放出体１１６２は、カーボンナノチューブ、ナノ炭素繊維又はシリコンナノラインである。各々の前記電界放出体１１６２は、一つの電界放出部１１６４を含んで、前記電界放出部１１６４は前記二次電子放出層１２０に向いている。各々の前記電界放出体１１６２の表面に保護層（図示せず）を形成することができる。前記保護層は、ジルコニウム炭化物、ハフニウム炭化物及びランタン六ホウ化物など抗イオン衝撃材料の一種又は数種からなる。本実施例において、前記電界放出ユニット１１６は、輪状カーボンナノチューブ導電ペーストであり、その外径が前記二次電子放出層１２０の直径と同じ、又は該直径よりも小さく、その内径が前記陰極１１４の第一スルーホール１１４０の直径と同じ、又は該直径よりも大きい。
【００２３】
前記電界放出部１１６４と前記二次電子放出層１２０の間の距離は、ガス分子及び自由電子の平均自由行程より小さい。従って、前記電界放出体１１６２から放出された電子は、前記電界放出部１１６４と前記二次電子放出層１２０の間のガス分子と衝突する前に前記二次電子放出層１２０に衝突する。これにより、前記電界放出体１１６２から放出された電子と、前記電界放出部１１６４と前記二次電子放出層１２０の間のガス分子とが衝突する可能性が下がる。即ち、前記ガス分子が電離される可能性が下がる。従って、前記電界放出体１１６２に、前記イオンが衝突し、前記電界放出体１１６２が損傷することを防止できる。
【００２４】
ここで、ガス分子の平均自由行程
【数１】
が次の公式（１）を満足し、ガス分子及び自由電子の間の平均自由行程
【数２】
が次の公式（２）を満足する。
【００２５】
【数３】
【００２６】
【数４】
【００２７】
上記公式（１）において、ｋはボルツマン定数であり、且つｋは、次の公式（３）を満足する。
【００２８】
【数５】
【００２９】
ここで、Ｔは絶対温度であり、ｄはガス分子の有効直径であり、Ｐはガス圧力である。本実施例において、前記ガスは、窒素であり、その絶対温度Ｔは３００Ｋである。ガス圧力Ｐが１トルである場合、前記窒素のガス分子の平均自由行程
【数６】
が５０μｍであり、該ガス分子及び自由電子の間の平均自由行程
【数７】
が２８３μｍである。前記電界放出部１１６４と前記二次電子放出層１２０の間の距離が十分に小さい場合、前記電界放出装置１００は、低真空又は不活性ガス環境下の作業でも破損されない。本実施例において、前記電界放出部１１６４と前記二次電子放出層１２０の間の距離は、１０μｍ〜３０μｍであり、前記電界放出装置１００は、ガス圧力Ｐが９トル〜２７トルの低真空環境下で作業することができる。
【００３０】
前記電界放出装置１００を使用する場合、前記電子引き出し電極１１８に印加する電圧は、前記陰極１１４に印加する電圧より高い。前記グリッド電極１２２に印加する電圧は、前記電子引き出し電極１１８に印加する電圧より高い。本実施例において、前記陰極１１４に印加する電圧は、ゼロであり、前記電子引き出し電極１１８に印加する電圧は、１００Ｖであり、前記グリッド電極１２２に印加する電圧は、５００Ｖである。前記電界放出体１１６２は、前記電子引き出し電極１１８及び前記陰極１１４の間の電場の作用で、複数の電子を放出する。前記電界放出体１１６２からの電子が前記二次電子放出層１２０に衝突して、前記二次電子放出層１２０から複数の二次電子を放出させることができる。前記二次電子が、前記陰極１１４及び前記グリッド電極１２２の間の電場の作用で、前記電子放出部１１５０によって放出される。
【００３１】
図４を参照すると、前記電界放出装置１００の製造方法は、絶縁基板１１０を設置するステップ（ａ）と、前記絶縁基板１１０の一つの表面に電子引き出し電極１１８を形成するステップ（ｂ）と、前記電子引き出し電極１１８の前記絶縁基板１１０と反対側の表面に二次電子放出層１２０を形成するステップ（ｃ）と、前記絶縁基板１１０の前記電子引き出し電極１１８が形成された表面に、第二スルーホール１１２０を有する第一絶縁隔離層１１２を形成し、前記第二スルーホール１１２０により、前記二次電子放出層１２０の表面の一部を露出させるステップ（ｄ）と、電子放出部１１５０を含む陰極板１１５を設置するステップ（ｅ）と、前記陰極板１１５の前記電子放出部１１５０に近い表面に、電界放出ユニット１１６を形成するステップ（ｆ）と、前記陰極板１１５を前記第一絶縁隔離層１１２の前記絶縁基板１１０と反対側の表面に固定し、前記第二スルーホール１１２０を前記電子放出部１１５０の一部と重畳させ、前記電界放出ユニット１１６の少なくとも一部が前記二次電子放出層１２０に対向するステップ（ｇ）と、前記陰極板１１５の前記電子引き出し電極１１８と反対側の表面にグリッド電極１２２を設置するステップ（ｈ）と、を含む。
【００３２】
前記ステップ（ｂ）において、前記電子引き出し電極１１８は、電気めっき、化学めっき、真空めっき、マグネトロンスパッタリングなどの方法によって形成される。本実施例において、前記電子引き出し電極１１８は、マグネトロンスパッタリング方法によって前記絶縁基板１１０に形成された円形のアルミニウムフィルムである。
【００３３】
前記ステップ（ｃ）において、前記二次電子放出層１２０は、電気めっき、化学めっき、真空めっき、マグネトロンスパッタリング、コーティング、熱堆積などの方法によって形成される。本実施例において、前記二次電子放出層１２０は、コーティング方法によって前記電子引き出し電極１１８に形成された円形の酸化バリウムフィルムである。
【００３４】
前記ステップ（ｄ）において、前記第一絶縁隔離層１１２は、スクリーン印刷、スピンコーティング、厚膜技術などの方法によって形成される。前記第一絶縁隔離層１１２は、前記絶縁基板１１０、前記電子引き出し電極１１８又は前記二次電子放出層１２０に形成することができる。本実施例において、前記第一絶縁隔離層１１２は、スクリーン印刷によって絶縁基板１１０に形成されている。
【００３５】
前記ステップ（ｅ）において、前記陰極板１１５は、第二絶縁隔離層１２１及び陰極１１４を含む。前記第二絶縁隔離層１２１及び陰極１１４は積層されている。前記陰極１１４は、導電層又は絶縁層の外側に導電材料を被覆させて形成した自立構造の薄膜である。前記陰極板１１５は次の階段によって形成される。第一階段において、第三スルーホール１２１２を含む第二絶縁隔離層１２１を形成する。第二階段において、前記第二絶縁隔離層１２１の一つの表面に第一スルーホール１１４０を含む陰極１１４を積層する。
【００３６】
前記第一階段において、前記第二絶縁隔離層１２１は、少なくとも一つの孔を含む平板であり、又は、間隔をおいて配列する複数のストリップ状体からなるものである。この場合、前記第三スルーホール１２１２は、前記平板の孔又は前記複数のストリップ状体の間の隙間である。本実施例において、前記第二絶縁隔離層１２１は、前記第三スルーホール１２１２としての直通穴を有する輪形のガラス板である。
【００３７】
前記第二階段において、前記陰極１１４は、スクリーン印刷、電気めっき、ＣＶＤ、マグネトロンスパッタリング、回転コーティング又は熱堆積などの方法によって形成された導電層である。本実施例において、前記陰極１１４は、マグネトロンスパッタリング方法によって前記第二絶縁隔離層１２１に形成された輪形のアルミニウム層である。前記第一スルーホール１１４０及び第三スルーホール１２１２の少なくとも一部を重畳させることにより、前記電子放出部１１５０を形成する。本実施例において、前記第一スルーホール１１４０と第三スルーホール１２１２とを、完全に重畳させる。
【００３８】
前記ステップ（ｆ）において、前記電界放出ユニット１１６は、カーボンナノチューブ導電ペーストを印刷して形成し、又は化学気相堆積法によって形成する。本実施例において、前記電界放出ユニット１１６の形成方法は、前記陰極１１４に輪形の導電ペースト層を堆積するステップ（ｆ１）と、３００℃〜４００℃の温度で前記導電ペースト層を乾燥するステップ（ｆ２）と、３００℃〜４００℃の温度で前記導電ペースト層を焼結（ｂａｋｉｎｇ）するステップ（ｆ３）と、前記導電ペースト層を冷却して前記電界放出ユニット１１６を形成するステップ（ｆ４）と、を含む。
【００３９】
前記ステップ（ｆ１）において、前記カーボンナノチューブ導電ペースト層は、スクリーン印刷方法によって前記陰極１１４に堆積される。前記カーボンナノチューブ導電ペーストは、カーボンナノチューブ、低融点ガラス粉末及び有機基材を含む。本実施例において、前記カーボンナノチューブの直径が１ｎｍ〜１０ｎｍであり、その長さが５μｍ〜１５μｍである。前記低融点ガラス粉末の直径が１０ｎｍより小さい。前記有機基材は、テルピネオール、エチルセルロース及びセバシン酸ジブチルを含む。前記テルピネオール、エチルセルロース及びセバシン酸ジブチルの重量比が１８０：１１：１０である。
【００４０】
前記ステップ（ｆ２）において、前記有機基材を揮発させる。本実施例において、真空環境、３５０℃の温度で前記導電ペースト層を２０分間焼結する。
【００４１】
前記ステップ（ｆ３）において、前記低融点ガラス粉末が融化される。本実施例において、真空環境、４３０℃の温度で前記導電ペースト層を３０分間焼結する。
【００４２】
前記ステップ（ｆ４）において、前記融化されたガラス粉末を凝固させることにより、前記カーボンナノチューブを前記陰極１１４に固定させる。
【００４３】
更に、前記ステップ（ｆ）は、前記ステップ（ｆ４）の後、前記電界放出ユニット１１６を表面処理するステップ（ｆ５）を含むことができる。前記電界放出ユニット１１６を表面処理する方法は、プラズマエッチング、レーザーエッチング又は接着テープピーリングなどがある。本実施例において、前記電界放出ユニット１１６の表面を、接着テープによってピーリングすることにより、前記電界放出ユニット１１６のカーボンナノチューブを前記電界放出ユニット１１６の表面に対して垂直に配置し、均一的に分散させることができる。
【００４４】
更に、前記ステップ（ｆ）は、前記ステップ（ｆ５）後、前記電界放出ユニット１１６に保護層を被覆するステップ（ｆ６）を含むことができる。前記保護層は、ジルコニウム炭化物、ハフニウム炭化物及びランタン六ホウ化物など抗イオン衝撃材料の一種又は数種からなる。本実施例において、前記保護層は、前記電界放出ユニット１１６に露出した各々のカーボンナノチューブの表面を覆っている。
【００４５】
前記ステップ（ｇ）において、前記電子放出部１１５０及び第二スルーホール１１２０の少なくとも一部を、重畳させる。本実施例において、前記陰極板１１５を前記第一絶縁隔離層１１２の前記絶縁基板１１０と反対側の表面に固定する場合、前記電子放出部１１５０の全体が前記第二スルーホール１１２０の中に位置する。
【００４６】
前記ステップ（ｈ）において、前記グリッド電極１２２は、スクリーン印刷、電気めっき、ＣＶＤ、マグネトロンスパッタリング、コーティング、熱堆積方法によって形成され、又は、メタルメッシュを直接的に前記第二絶縁隔離層１２１に設置してなるものであることができる。本実施例において、前記グリッド電極１２２は、ステンレス鋼ネットを直接的に前記第二絶縁隔離層１２１に設置して形成したものである。
【００４７】
（実施例２）
図５を参照すると、本実施例は、電界放出装置２００を提供する。本実施例の電界放出装置２００は実施例１の電界放出装置１００と比べて、次の異なる点がある。本実施例の二次電子放出層２２０において、陰極２１４の第一スルーホール２１４０に対向する領域に、少なくとも一つの第一突出部２２０２が形成されている。前記陰極２１４の、前記二次電子放出層２２０の第一突出部２２０２に対向する領域に、少なくとも一つの第二突出部２１４２が形成されている。前記電界放出ユニット２１６は、前記陰極２１４の第二突出部２１４２に配置されて、且つ前記電界放出ユニット２１６の電界放出体２１６２は前記第一突出部２２０２に向いている。
【００４８】
前記第一突出部２２０２は、円錐体であるが、前記第二突出部２１４２は、前記第一突出部２２０２の周囲を囲う環形突出物である。前記第二突出部２１４２と前記第一突出部２２０２との対向する表面は、互いに平行する。前記電界放出ユニット２１６の電界放出体２１６２は、前記第一突出部２２０２の前記第二突出部２１４２に対向する表面に垂直に延伸する。
【００４９】
（実施例３）
図６を参照すると、本実施例は、電界放出装置３００を提供する。本実施例の電界放出装置３００は実施例１の電界放出装置１００と比べて、次の異なる点がある。本実施例において、第二絶縁隔離層３２１の厚さが５００μｍより大きい。前記第二絶縁隔離層３２１の第三スルーホール３２１２の壁に、二次電子放出材料が堆積されている。好ましくは、前記第三スルーホール３２１２の孔径が、陰極３１４からグリッド電極３２２に向かう方向に、次第に減少している。前記グリッド電極３２２は、円環状導電層である。前記円環状グリッド電極３２２の円孔の直径は、前記第三スルーホール３２１２の前記グリッド電極３２２に隣接する端部の直径と同じであることができる。
【００５０】
（実施例４）
図７を参照すると、本実施例は、電界放出装置４００を提供する。前記電界放出装置４００は、実施例１の電界放出装置１００と比べて、次の異なる点がある。前記電界放出装置４００は、更に一つの二次電子増強電極４２４及び一つの第三絶縁隔離層４２６を含む。前記二次電子増強電極４２４及び第三絶縁隔離層４２６は、前記第二絶縁隔離層４２１と前記グリッド電極４２２の間に、配置されている。前記二次電子増強電極４２４は、グリッド電極４２２と前記第三絶縁隔離層４２６によって電気的に絶縁される。
【００５１】
前記二次電子増強電極４２４は、導電層であり、その厚さは５００μｍより大きい。前記二次電子増強電極４２４は、第四スルーホール４２４０を含む。前記第四スルーホール４２４０は、陰極４１４の第一スルーホール４１４０に対応して配置される。前記二次電子増強電極４２４の第四スルーホール４２４０の壁に、二次電子放出材料層４２４２が堆積されている。前記二次電子増強電極４２４の第四スルーホール４２４０の壁が凹凸構造を有することができる。前記第三絶縁隔離層４２６も、第四スルーホール４２４０と対応する開口（図示せず）を有する。前記電界放出装置４００を使用する場合に、電子引き出し電極４１８に印加する電圧は、前記陰極４１４に印加する電圧より高い。前記二次電子増強電極４２４に印加する電圧は、電子引き出し電極４１８に印加する電圧より高い。前記グリッド電極４２２に印加する電圧は、前記二次電子増強電極４２４に印加する電圧より高い。
【００５２】
（実施例５）
図８を参照すると、本実施例は、イオン源１０を提供する。前記イオン源１０は、真空容器１２と、電界放出電子源と、イオン電極１４と、を含む。前記電界放出電子源と前記イオン電極１４は、それぞれ前記真空容器１２の対向する両端に配置される。前記電界放出電子源から放出する電子は、前記真空容器１２の中で気体分子と衝突して、前記気体分子が電離されてイオンが生じ、前記イオンは前記イオン電極１４の作用で前記真空容器１２から放出される。
【００５３】
前記真空容器１２は、筒状容器である。前記筒状真空容器１２の一端が密封されるが、その一端に対向する他の端部にイオン放出口１８が形成されている。前記筒状真空容器１２の側壁に進気口１６が形成されている。前記真空容器１２の材料、寸法及び形状に対しては特に制限がない。前記真空容器１２は、絶縁材料又は半導体材料からなる場合、その内壁に導電層を形成する必要がある。本実施例において、前記筒状真空容器１２は、金属からなり、その断面が、辺長が１５ｍｍの正方形である。即ち、前記真空容器１２は、一側が密封されない正方体の金属筐体である。金属筐体の前記真空容器１２には、一つの電離室１５が形成されている。前記真空容器１２の密封されない側をイオン放出口１８としている。前記イオン源１０は、真空環境で作業する必要があるので、前記真空容器１２の電離室１５が所定の真空度を有することを確保する。前記筒状真空容器１２の側壁に形成された進気口１６によって、作業気体を該真空容器１２に導入させる。前記作業気体は、アルゴンガス、水素ガス、ヘリウムガス及びキセノンガスの一種又は数種である。
【００５４】
前記電界放出電子源は、実施例１〜４において提供された電界放出電子源１００、２００、３００、４００であることができる。本実施例において、前記イオン源１０には、実施例１において提供された電界放出電子源１００を採用する。前記電界放出電子源１００は、前記真空容器１２の電離室１５に配置される。前記電界放出電子源１００の絶縁基板１１０は、前記真空容器１２のイオン放出口１８に対向する面に接触する。前記電界放出電子源１００の電界放出ユニット１１６は、前記絶縁基板１１０とイオン放出口１８の間に位置し、前記電界放出電子源１００の電子放出部１１５０が、前記イオン放出口１８に対向する。
【００５５】
前記イオン電極１４は、金属網状構造体である。前記イオン電極１４は、前記真空容器１２のイオン放出口１８に配置され、且つ前記イオン電極１４は、前記真空容器１２の側壁によって支持される。前記イオン電極１４は、前記真空容器１２と絶縁層１３によって電気的に絶縁される。
【００５６】
前記イオン源１０を使用する場合に、前記イオン電極１４に負電圧を印加する。前記電界放出電子源１００の電界放出ユニット１１６からの電子が前記電子放出部１１５０によって放出された後、グリッド電極１２２を通じて加速されて、前記真空容器１２に入射される。前記真空容器１２に入射した電子を、気体分子と衝突させることにより、前記気体分子が電離されてイオンが生じ、前記イオンは前記イオン電極１４の作用で前記真空容器１２から放出される。
【００５７】
（実施例６）
図９を参照すると、本実施例は、イオン源２０を提供する。前記イオン源２０は、真空容器２２、電界放出電子源と、陽極２４を含む。
【００５８】
前記真空容器２２は、筒状容器であり、前記筒状真空容器２２が対向する二つの端部２２ａ、２２ｂと、側壁２２ｃと、を含む。該対向する二つの端部２２ａ、２２ｂ及び側壁２２ｃは、一つの電離室２２７を構成する。前記筒状真空容器２２の一つの端部２２ａにイオン放出口２８が形成され、前記筒状真空容器２２の一つの端部２２ｂに電子注入孔２７が形成されている。前記筒状真空容器２２の側壁２２ｃに進気口２６が形成されている。前記真空容器２２の材料、寸法及び形状に対しては特に制限がない。前記真空容器２２は、絶縁材料又は半導体材料からなる場合、側壁２２ｃの内側に導電層を形成する必要がある。前記真空容器２２は、金属材料からなる場合、該金属材料は、モリブデン、鋼又はチタンである。前記イオン源２０は、真空環境で作業する必要があるので、前記真空容器２２の電離室２２７が所定の真空度を有することを確保する。前記筒状真空容器２２の側壁２２ｃに形成された進気口２６によって、作業気体を該真空容器２２に導入させる。前記作業気体は、アルゴンガス、水素ガス、ヘリウムガス及びキセノンガスの一種又は数種である。
【００５９】
本実施例において、前記筒状真空容器２２の断面が円形である。即ち、前記真空容器２２は円筒形筐体である。前記筒状真空容器２２の長さは、その断面の直径の２倍よりも長くすることができる。好ましくは、前記真空容器２２の直径が１０ｍｍであり、その長さが３６ｍｍである。前記筒状真空容器２２の端部２２ａに形成されたイオン放出口２８は、円形である。前記円形イオン放出口２８の中心点は、前記円筒形真空容器２２の軸線上に位置する。前記筒状真空容器２２の端部２２ｂに形成された電子注入孔２７は、前記円筒形真空容器２２の軸線の一側に位置する。前記イオン放出口２８の孔径が１ｍｍであり、前記電子注入孔２７の孔径が４ｍｍである。
【００６０】
前記電界放出電子源は、実施例１〜４において提供された電界放出電子源１００、２００、３００、４００であることができる。本実施例において、前記イオン源２０は、実施例１において提供された電界放出電子源１００を採用する。前記電界放出電子源１００は、前記真空容器２２の外部であって、前記筒状真空容器２２の電子注入孔２７に隣接するように配置される。前記電界放出電子源１００の電子放出部１１５０が、前記電子注入孔２７に対向する。前記電界放出電子源１００から放出された電子が前記電子注入孔２７によって前記筒状真空容器２２の電離室２２７に入射する。
【００６１】
前記陽極２４は、金属環であり、前記円筒状真空容器２２の電離室２２７に配置される。前記陽極２４の内径が０．２ｍｍである。前記環状陽極２４の中心点は、前記円筒形真空容器２２の軸線上に位置することが好ましい。前記陽極２４と真空容器２２との間に電位差がある場合、前記電離室２２７にサドル形の電場が生じる。前記電離室２２７のサドル形の電場は、電子の運動軌跡を延長するので、電子と作業気体分子の間の衝突率を高めて、前記気体分子が電離されてイオンになることを促進できる。
【００６２】
更に、イオン源２０は、開口レンズ２９を含むことができる。前記開口レンズ２９は、前記真空容器２２の外部であって、前記イオン放出口２８に隣接するように配置される。前記開口レンズ２９は、前記イオン放出口２８から放出されたイオンを集中させるために配置されている。前記開口レンズ２９は、第一電極２１、第二電極２３及び第三電極２５を含む。前記開口レンズ２９には、前記第三電極２５、前記第二電極２３及び前記第一電極２１が、前記イオン放出口２８を離れる方向に順に積層されている。前記開口レンズ２９には、前記第一電極２１、第二電極２３及び第三電極２５を貫通したスルーホール２１１が形成されている。前記スルーホール２１１の孔径は、前記第三電極２５から前記第一電極２１までの方向に、次第に減少している。
【００６３】
前記イオン源２０を使用する場合に、前記電界放出電子源１００の電界放出ユニット１１６からの電子が前記電子放出部１１５０によって放出した後、グリッド電極１２２で加速されて、該グリッド電極１２２を通じて前記真空容器２２の電子注入孔２７から電離室２２７に入射する。前記電離室２２７に入射した電子は、前記電離室２２７のサドル形の電場作用で前記電離室２２７に繰り返して振動され、作業気体分子と衝突して、前記気体分子が電離されてイオンが生じ、該イオンは前記イオン放出口２８から放出される。前記真空容器２２から放出したイオンは、前記開口レンズ２９に達し、且つ前記開口レンズ２９に所定のイオン束を形成することができる。
【００６４】
（実施例７）
図１０を参照すると、本実施例は、イオン源３０を提供する。前記イオン源３０は、第四絶縁層１２８と、電界放出電子源と、イオン電極１３０とを含む。前記電界放出電子源は、実施例１〜４において提供された電界放出電子源１００、２００、３００、４００であることができる。本実施例において、前記イオン源３０は、実施例１において提供された電界放出電子源１００を採用する。
【００６５】
前記第四絶縁層１２８は、前記電界放出電子源１００のグリッド電極１２２の前記絶縁基板１１０と反対側の表面に設置される。前記第四絶縁層１２８は、第五スルーホール１２８０を含む。前記第五スルーホール１２８０は、前記電子放出部１１５０に対応するように設置される。前記第五スルーホール１２８０は、一つの真空空間を画定する。前記第五スルーホール１２８０の体積が、前記第二スルーホール１１２０の体積と同じ、又は、前記第二スルーホール１１２０の体積よりも大きい。前記第四絶縁層１２８は、筒状構造体であり、その側壁に一つの進気口１２８２が形成されている。前記進気口１２８２によって、作業気体を該真空空間に導入させる。前記イオン電極１３０は、金属網状構造体であり、それは前記第四絶縁層１２８の側壁によって支持される。前記イオン電極１３０は、前記第四絶縁層１２８のグリッド電極１２２と反対側の端面に接触する。前記イオン源３０は、真空環境で作業する必要があるので、前記第四絶縁層１２８の第五スルーホール１２８０が所定の真空度を有することを確保する。前記イオン源３０を使用する場合に、前記イオン電極１３０に負電圧を印加する。前記電界放出電子源１００の電界放出ユニット１１６からの電子が前記電子放出部１１５０によって放出された後、グリッド電極１２２で加速されて、該グリッド電極１２２を通じて前記第四絶縁層１２８の第五スルーホール１２８０に入射する。前記第四絶縁層１２８に入射した電子が作業気体分子と衝突することにより、前記気体分子が電離されてイオンを生じ、前記イオンは前記イオン電極１３０の作用で前記第四絶縁層１２８から放出される。
【符号の説明】
【００６６】
１００、２００、３００、４００ 電界放出電子源
１１０、２１０、３１０、４１０ 絶縁基板
１２０、２２０、３２０、４２０ 二次電子放出層
１１８、２１８、３１８、４１８ 電子引き出し電極
１１２、２１２、３１２、４１２ 第一絶縁隔離層
１１２０ 第二スルーホール
１１６、２１６、３１６、４１６ 電界放出ユニット
１１４、２１４、３１４、４１４ 陰極
１１６２、２１６２ 電界放出体
１１６４、２１６４ 電界放出部
１２１、２２１、３２１、４２１ 第二絶縁隔離層
１２２、２２２、３２２、４２２ グリッド電極
１１４０、２１４０、４１４０ 第一スルーホール
１２１２、３２１２ 第三スルーホール
１１５０ 電子放出部
１１５ 陰極板
２１４２ 第二突出部
２２０２ 第一突出部
４２４０ 第四スルーホール
３２１４、４２４２ 二次電子放出材料層
４２６ 第三絶縁隔離層
４２４ 二次電子増強電極
１０、２０、３０ イオン源
１２、２２ 真空容器
１４、１３０ イオン電極
１８、２８ イオン放出口
１６、２６、１２８２ 進気口
１５、２２７ 電離室
１３ 絶縁層
２４ 陽極
２１１ スルーホール
２９ 開口レンズ
２１ 第一電極
２３ 第二電極
２５ 第三電極
２２ａ、２２ｂ 端部
２２ｃ 側壁
２７ 電子注入孔
１２８ 第四絶縁層
１２８０ 第五スルーホール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン源に関し、特に電界放出電子源を採用するイオン源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電界放出電子源は、イオン源の重要な部品として用いられている。前記電界放出電子源は、イオン源に電子を提供して作業気体分子と衝突させることにより、前記気体分子が電離されてイオンを生じる。
【０００３】
従来の電界放出電子源は、絶縁基板と、前記絶縁基板に配置された陰極と、前記陰極の上に配置された複数の電界放出体と、貫通孔を含む絶縁隔離層と、陽極と、を含む。前記絶縁隔離層は、前記絶縁基板に配置され、前記電界放出体は、前記絶縁隔離層の貫通孔によって暴露される。前記陽極と陰極は、間隔おいて対向するように配置される。前記陽極と陰極の間に電圧を印加すると、その間に電場が形成される。これにより、前記電界放出体から電子が放出され、前記電子は、前記絶縁隔離層の貫通孔を通じて陽極に到達する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記電界放出体から放出された電子が、イオン源の作業気体分子と衝突し、これにより前記気体分子が電離されてイオンになる。且つ、該イオンは、低電位である陰極の方向に移動する。この場合、前記電界放出体は、前記絶縁隔離層の貫通孔で暴露されており、前記電界放出体は前記イオンに衝突されやすい。従って、前記電界放出体が破壊されるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、前記課題を解決するために、本発明は、電界放出体にイオンが衝突することを防止できるイオン源を提供する。
【０００６】
本発明のイオン源は、真空容器と、電界放出電子源と、イオン電極と、を含む。前記真空容器は、電離室と、イオン放出口と、進気口と、を含む。前記イオン電極は、前記真空容器のイオン放出口に設置される。前記電界放出電子源は、前記真空容器の電離室に設置される。前記電界放出電子源は、絶縁基板と、電子引き出し電極と、二次電子放出層と、陰極板と、電界放出ユニットと、を含む。前記電子引き出し電極及び二次電子放出層は、前記絶縁基板の一つの表面に配置される。前記陰極板は、一つの第一絶縁隔離層によって前記電子引き出し電極と間隔をおいて絶縁的に配置される。前記陰極板の少なくとも一部が前記二次電子放出層に対向し、前記陰極板は、少なくとも一つの電子放出部を含み、該電子放出部が前記真空容器のイオン放出口に対向し、前記電界放出ユニットは、前記陰極板の前記二次電子放出層に対向する表面に配置される。
【０００７】
本発明のイオン源は、真空容器と、電界放出電子源と、陽極と、を含む。前記真空容器は、対向する二つの端部と、側壁と、を含み、該対向する二つの端部及び側壁は、一つの電離室を構成し、該側壁に進気口が形成され、前記二つの端部にそれぞれイオン放出口及び電子注入孔が形成される。前記陽極は、前記真空容器の電離室に設置される。前記電界放出電子源は、前記電子注入孔に隣接して前記真空容器の外部に配置される。前記電界放出電子源は、絶縁基板と、電子引き出し電極と、二次電子放出層と、陰極板と、電界放出ユニットと、を含む。前記電子引き出し電極及び二次電子放出層は、前記絶縁基板の一つの表面に配置される。前記陰極板は、一つの第一絶縁隔離層によって前記電子引き出し電極と間隔をおいて絶縁的に配置される。前記陰極板の少なくとも一部が前記二次電子放出層に対向し、前記陰極板は、少なくとも一つの電子放出部を含み、該電子放出部が前記真空容器の電子注入孔に対向し、前記電界放出ユニットは、前記陰極板の前記二次電子放出層に対向する表面に配置される。
【０００８】
本発明のイオン源は、絶縁層と、電界放出電子源と、イオン電極と、を含む。前記電界放出電子源は、絶縁基板と、電子引き出し電極と、二次電子放出層と、陰極板と、電界放出ユニットと、グリッド電極と、を含む。前記電子引き出し電極及び二次電子放出層は、前記絶縁基板の一つの表面に順に配置される。前記陰極板は、一つの第一絶縁隔離層によって前記電子引き出し電極と間隔をおいて絶縁的に配置される。前記陰極板の少なくとも一部が前記二次電子放出層に対向し、前記陰極板は、少なくとも一つの電子放出部を含み、前記電界放出ユニットは、前記陰極板の二次電子放出層に対向する表面に配置される。前記グリッド電極は、前記陰極板の二次電子放出層と反対側の表面にそれに絶縁的に配置される。前記絶縁層は、前記電界放出電子源のグリッド電極の前記絶縁基板と反対側の表面に設置される。前記絶縁層は、真空な第五スルーホールを含み、前記絶縁層の側壁に進気口が形成されている。前記イオン電極は、前記絶縁層のグリッド電極と反対側の端面に接触するように配置される。
【０００９】
前記電界放出ユニットは、複数の電界放出体を含み、各々の電界放出体は、電界放出部を含み、前記電界放出部は、前記二次電子放出層と対向し、前記電界放出部と前記二次電子放出層の間の最大距離が電子とガス分子の平均自由行程より小さい。
【発明の効果】
【００１０】
従来の技術と比べて、本発明のイオン源において、前記電界放出ユニットは、前記陰極板の前記二次電子放出層に対向する一部表面に配置されており、電界放出表示装置などの陽極又はグリッド電極の電圧が前記電界放出電子源の電子引き出し電極及び陰極の電圧より更に高いので、前記電子引き出し電極及び陰極の間の電場を、グリッド電極及び電子引き出し電極の間の電場又は陽極及び電子引き出し電極の間の電場に比べて、小さくすることができる。前記電界放出体から放出された電子が、前記真空環境で移動している少量の気体分子と衝突し、これにより前記気体分子が電離されてイオンになって、前記イオンは前記電子引き出し電極に向かって移動するので、前記電界放出体に前記イオンが衝突しない。これにより、前記電界放出電子源の寿命が長くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係る電界放出電子源の構造を示す図である。
【図２】図１のＩＩ‐ＩＩに沿って切断した断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ‐ＩＩＩに沿って切断した断面図である。
【図４】図１に示す電界放出電子源の製造工程を示す図である。
【図５】本発明の実施例２に係る電界放出電子源の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例３に係る電界放出電子源の構造を示す断面図である。
【図７】本発明の実施例４に係る電界放出電子源の構造を示す断面図である。
【図８】本発明の実施例５に係るイオン源の構造を示す断面図である。
【図９】本発明の実施例６に係るイオン源の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施例７に係るイオン源の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【００１３】
本実施例では、電界放出電子源から、イオン源に電子を放射して、該イオン源における気体分子と衝突することにより、前記気体分子を電離させてイオンを生じる。以下、数種のイオン源に利用できる電界放出電子源について説明する。電界放出電子源は、一つのユニット又は複数のユニットを含むことができる。本発明の実施例には、一つのユニットだけを含む電界放出電子源について説明する。
【００１４】
（実施例１）
図１〜図３を参照すると、本実施例は、電界放出装置１００を提供する。前記電界放出装置１００は、絶縁基板１１０と、第一絶縁隔離層１１２と、陰極１１４と、電界放出ユニット１１６と、電子引き出し電極１１８と、二次電子放出層１２０と、第二絶縁隔離層１２１と、グリッド電極１２２と、を含む。前記電子引き出し電極１１８は、前記絶縁基板１１０の一つの表面（図示せず）に配置される。前記二次電子放出層１２０は、前記電子引き出し電極１１８の前記絶縁基板１１０と反対側の表面に配置される。前記陰極１１４は、第一絶縁隔離層１１２によって前記電子引き出し電極１１８と間隔をおいて対向して配置される。前記電子引き出し電極１１８は、前記陰極１１４及び前記絶縁基板１１０の間に配置されている。前記陰極１１４に一つの第一スルーホール１１４０が形成されている。前記陰極１１４の第一スルーホール１１４０は、前記電子引き出し電極１１８と対向するように配置される。前記電界放出ユニット１１６は、前記陰極１１４の前記電子引き出し電極１１８と対向する表面に配置される。前記グリッド電極１２２は、前記第二絶縁隔離層１２１によって前記陰極１１４と間隔をおいて配置される。前記電界放出ユニット１１６から放出された電子が、前記二次電子放出層１２０に衝突して二次電子が生じる。前記二次電子放出層１２０から放出された二次電子は、前記グリッド電極１２２の作用で前記陰極１１４の第一スルーホール１１４０から放出される。
【００１５】
前記絶縁基板１１０は、シリコン、ガラス、セラミックス、酸化珪素、ポリマーなどの絶縁材料からなる。前記絶縁基板１１０の形状は、円形、方形、矩形である。本実施例において、前記絶縁基板１１０は、厚さが１ｍｍであり、辺長が１０ｍｍの方形ガラス基板である。
【００１６】
前記電子引き出し電極１１８は、金属、合金、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又は導電ペーストからなる導電層である。前記金属は、銅、アルミニウム、金、銀又は鉄である。前記導電ペーストは、金属粉末、低融点ガラス粉末及び接着剤を含む。ここで、前記金属粉末が銀の粉末であり、前記接着剤がテルピネオール又はエチルセルロースであることが好ましい。前記導電ペーストにおける前記金属粉の質量パーセンテージの含有量は５０％〜９０％であり、前記低融点ガラスパウダーの質量パーセンテージの含有量は２％〜１０％であり、前記接着剤の質量パーセンテージの含有量は１０％〜４０％である。前記絶縁基板１１０は、シリコンからなる場合、前記電子引き出し電極１１８は、ドープシリコンであることができる。本実施例において、前記電子引き出し電極１１８は、厚さが２０μｍの円形のアルミニウムフィルムである。前記アルミニウムフィルムは、マグネトロンスパッタリング方法によって前記絶縁基板１１０に堆積されている。
【００１７】
前記二次電子放出層１２０及び前記電子引き出し電極１１８は、積層されている。前記電子引き出し電極１１８は、前記二次電子放出層１２０と前記絶縁基板１１０の間に位置する。前記二次電子放出層１２０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ベリリウム酸化物（ＢｅＯ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化ベリリウム（ＢｅＦ２）、セシウム酸化物（ＣｓＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、銀の酸素セシウム（ＡｇＯＣｓ）、アンチモニー・セシウム合金、銀のマグネシウム合金、ニッケル・ベリリウムの合金、銅のベリリウムの合金またはアルミニウム・マグネシウム合金からなる。前記二次電子放出層１２０の前記電界放出ユニット１１６に対向する表面は、凹凸構造を有する曲面であることができる。本実施例において、前記二次電子放出層１２０は、厚さが２０μｍの円形の酸化バリウムフィルムである。
【００１８】
前記陰極１１４の少なくとも一部が前記二次電子放出層１２０と対向する。前記陰極１１４は、銅、アルミニウム、金、銀などの金属、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又は導電ペーストからなる。前記陰極１１４は、少なくとも一つの孔を含む平板であり、又は、間隔をおいて配列する複数のストリップ状体からなるものである。この場合、前記第一スルーホール１１４０は、前記平板の孔又は前記複数のストリップ状体の間の隙間である。本実施例において、前記陰極１１４は、円形孔を有するアルミニウム導電層である。
【００１９】
前記第一絶縁隔離層１１２を、前記陰極１１４と前記電子引き出し電極１１８の間に配置することにより、前記陰極１１４と前記電子引き出し電極１１８を電気的に絶縁させる。前記第一絶縁隔離層１１２は、感光乳剤、ガラス、酸化物、セラミックス又は酸化珪素などの絶縁材料からなる。前記酸化物は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム又はビスマス酸化物である。前記第一絶縁隔離層１１２は、前記絶縁基板１１０、前記電子引き出し電極１１８又は前記二次電子放出層１２０に配置されることができる。前記第一絶縁隔離層１１２に少なくとも一つの第二スルーホール１１２０が形成されている。前記スルーホール１１２０によって前記二次電子放出層１２０の一部を露出させる。前記第一絶縁隔離層１１２も、少なくとも一つの孔を含む平板であり、又は、間隔をおいて配列する複数のストリップ状体からなるものである。この場合、前記第二スルーホール１１２０は、前記平板の孔又は前記複数のストリップ状体の間の隙間である。前記第一絶縁隔離層１１２の第二スルーホール１１２０は、前記陰極１１４の少なくとも一部に対向する。前記陰極１１４の少なくとも一部は、前記第二スルーホール１１２０によって前記二次電子放出層１２０に対向する。前記第一絶縁隔離層１１２の第二スルーホール１１２０は、前記陰極１１４の第一スルーホール１１４０の少なくとも一部と重畳する。前記第一スルーホール１１４０と第二スルーホール１１２０とが重畳した部分から、電子が放出されることができる。本実施例において、前記第一絶縁隔離層１１２は、ＳＵ−８感光乳剤からなり、その厚さが１００μｍである円環状物であり、前記第一絶縁隔離層１１２は、直接的に前記絶縁基板１１０に配置されている。前記陰極１１４の第一スルーホール１１４０が、前記第一絶縁隔離層１１２の第二スルーホール１１２０の内部領域に位置する。
【００２０】
前記グリッド電極１２２は、前記陰極１１４の前記前記絶縁基板１１０と反対側の表面に配置され、前記第二絶縁隔離層１２１によって前記陰極１１４と電気的に絶縁される。前記グリッド電極１２２は、均一的に分布された複数の微孔を有するネット状構造体である。前記グリッド電極１２２は、金属、合金、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又は導電ペーストからなる。前記グリッド電極１２２の微孔の孔径が３μｍ〜１０００μｍである。前記グリッド電極１２２と前記陰極１１４の間の距離は、１０μｍより大きい。本実施例において、前記グリッド電極１２２は、ステンレス鋼ネットである。更に、前記ステンレス鋼ネットに二次電子放出材料を堆積させて、前記電界放出装置１００の電界放出電流密度を増強させることができる。
【００２１】
前記第二絶縁隔離層１２１は、前記前記グリッド電極１２２と前記陰極１１４の間に配置される。前記第二絶縁隔離層１２１の材料及び形成方法は前記第一絶縁隔離層１１２の材料及び形成方法と同じである。前記第二絶縁隔離層１２１は層状構造を有し、その形状と寸法が前記陰極１１４に対応する。前記第二絶縁隔離層１２１に少なくとも一つの第三スルーホール１２１２が形成されている。前記第三スルーホール１２１２の少なくとも一部は、第一スルーホール１１４０と第二スルーホール１１２０とに重畳する。更に、前記第二絶縁隔離層１２１の前記第三スルーホール１２１２に対応する壁に、二次電子放出材料を堆積することができる。この場合、前記第二絶縁隔離層１２１の厚さが５００μｍ〜１０００μｍである。これにより、前記第二絶縁隔離層１２１の前記第三スルーホール１２１２に対応する壁の二次電子放出材料の面積を増大させる。更に、前記第二絶縁隔離層１２１の前記第三スルーホール１２１２に対応する壁を凹凸構造に形成することにより、前記第二絶縁隔離層１２１の前記第三スルーホール１２１２に対応する壁の二次電子放出材料の面積を増大させることができる。
【００２２】
前記電界放出ユニット１１６は前記二次電子放出層１２０に対向して、前記陰極１１４の前記第二絶縁隔離層１２１と反対側の表面に配置される。好ましくは、前記電界放出ユニット１１６は、前記陰極１１４の第一スルーホール１１４０の近くに配置される。前記電界放出ユニット１１６は、複数の尖端を有する電界放出体１１６２を含む。前記電界放出体１１６２は、カーボンナノチューブ、ナノ炭素繊維又はシリコンナノラインである。各々の前記電界放出体１１６２は、一つの電界放出部１１６４を含んで、前記電界放出部１１６４は前記二次電子放出層１２０に向いている。各々の前記電界放出体１１６２の表面に保護層（図示せず）を形成することができる。前記保護層は、ジルコニウム炭化物、ハフニウム炭化物及びランタン六ホウ化物など抗イオン衝撃材料の一種又は数種からなる。本実施例において、前記電界放出ユニット１１６は、輪状カーボンナノチューブ導電ペーストであり、その外径が前記二次電子放出層１２０の直径と同じ、又は該直径よりも小さく、その内径が前記陰極１１４の第一スルーホール１１４０の直径と同じ、又は該直径よりも大きい。
【００２３】
前記電界放出部１１６４と前記二次電子放出層１２０の間の距離は、ガス分子及び自由電子の平均自由行程より小さい。従って、前記電界放出体１１６２から放出された電子は、前記電界放出部１１６４と前記二次電子放出層１２０の間のガス分子と衝突する前に前記二次電子放出層１２０に衝突する。これにより、前記電界放出体１１６２から放出された電子と、前記電界放出部１１６４と前記二次電子放出層１２０の間のガス分子とが衝突する可能性が下がる。即ち、前記ガス分子が電離される可能性が下がる。従って、前記電界放出体１１６２に、前記イオンが衝突し、前記電界放出体１１６２が損傷することを防止できる。
【００２４】
ここで、ガス分子の平均自由行程
【数１】
が次の公式（１）を満足し、ガス分子及び自由電子の間の平均自由行程
【数２】
が次の公式（２）を満足する。
【００２５】
【数３】
【００２６】
【数４】
【００２７】
上記公式（１）において、ｋはボルツマン定数であり、且つｋは、次の公式（３）を満足する。
【００２８】
【数５】
【００２９】
ここで、Ｔは絶対温度であり、ｄはガス分子の有効直径であり、Ｐはガス圧力である。本実施例において、前記ガスは、窒素であり、その絶対温度Ｔは３００Ｋである。ガス圧力Ｐが１トルである場合、前記窒素のガス分子の平均自由行程
【数６】
が５０μｍであり、該ガス分子及び自由電子の間の平均自由行程
【数７】
が２８３μｍである。前記電界放出部１１６４と前記二次電子放出層１２０の間の距離が十分に小さい場合、前記電界放出装置１００は、低真空又は不活性ガス環境下の作業でも破損されない。本実施例において、前記電界放出部１１６４と前記二次電子放出層１２０の間の距離は、１０μｍ〜３０μｍであり、前記電界放出装置１００は、ガス圧力Ｐが９トル〜２７トルの低真空環境下で作業することができる。
【００３０】
前記電界放出装置１００を使用する場合、前記電子引き出し電極１１８に印加する電圧は、前記陰極１１４に印加する電圧より高い。前記グリッド電極１２２に印加する電圧は、前記電子引き出し電極１１８に印加する電圧より高い。本実施例において、前記陰極１１４に印加する電圧は、ゼロであり、前記電子引き出し電極１１８に印加する電圧は、１００Ｖであり、前記グリッド電極１２２に印加する電圧は、５００Ｖである。前記電界放出体１１６２は、前記電子引き出し電極１１８及び前記陰極１１４の間の電場の作用で、複数の電子を放出する。前記電界放出体１１６２からの電子が前記二次電子放出層１２０に衝突して、前記二次電子放出層１２０から複数の二次電子を放出させることができる。前記二次電子が、前記陰極１１４及び前記グリッド電極１２２の間の電場の作用で、前記電子放出部１１５０によって放出される。
【００３１】
図４を参照すると、前記電界放出装置１００の製造方法は、絶縁基板１１０を設置するステップ（ａ）と、前記絶縁基板１１０の一つの表面に電子引き出し電極１１８を形成するステップ（ｂ）と、前記電子引き出し電極１１８の前記絶縁基板１１０と反対側の表面に二次電子放出層１２０を形成するステップ（ｃ）と、前記絶縁基板１１０の前記電子引き出し電極１１８が形成された表面に、第二スルーホール１１２０を有する第一絶縁隔離層１１２を形成し、前記第二スルーホール１１２０により、前記二次電子放出層１２０の表面の一部を露出させるステップ（ｄ）と、電子放出部１１５０を含む陰極板１１５を設置するステップ（ｅ）と、前記陰極板１１５の前記電子放出部１１５０に近い表面に、電界放出ユニット１１６を形成するステップ（ｆ）と、前記陰極板１１５を前記第一絶縁隔離層１１２の前記絶縁基板１１０と反対側の表面に固定し、前記第二スルーホール１１２０を前記電子放出部１１５０の一部と重畳させ、前記電界放出ユニット１１６の少なくとも一部が前記二次電子放出層１２０に対向するステップ（ｇ）と、前記陰極板１１５の前記電子引き出し電極１１８と反対側の表面にグリッド電極１２２を設置するステップ（ｈ）と、を含む。
【００３２】
前記ステップ（ｂ）において、前記電子引き出し電極１１８は、電気めっき、化学めっき、真空めっき、マグネトロンスパッタリングなどの方法によって形成される。本実施例において、前記電子引き出し電極１１８は、マグネトロンスパッタリング方法によって前記絶縁基板１１０に形成された円形のアルミニウムフィルムである。
【００３３】
前記ステップ（ｃ）において、前記二次電子放出層１２０は、電気めっき、化学めっき、真空めっき、マグネトロンスパッタリング、コーティング、熱堆積などの方法によって形成される。本実施例において、前記二次電子放出層１２０は、コーティング方法によって前記電子引き出し電極１１８に形成された円形の酸化バリウムフィルムである。
【００３４】
前記ステップ（ｄ）において、前記第一絶縁隔離層１１２は、スクリーン印刷、スピンコーティング、厚膜技術などの方法によって形成される。前記第一絶縁隔離層１１２は、前記絶縁基板１１０、前記電子引き出し電極１１８又は前記二次電子放出層１２０に形成することができる。本実施例において、前記第一絶縁隔離層１１２は、スクリーン印刷によって絶縁基板１１０に形成されている。
【００３５】
前記ステップ（ｅ）において、前記陰極板１１５は、第二絶縁隔離層１２１及び陰極１１４を含む。前記第二絶縁隔離層１２１及び陰極１１４は積層されている。前記陰極１１４は、導電層又は絶縁層の外側に導電材料を被覆させて形成した自立構造の薄膜である。前記陰極板１１５は次の階段によって形成される。第一階段において、第三スルーホール１２１２を含む第二絶縁隔離層１２１を形成する。第二階段において、前記第二絶縁隔離層１２１の一つの表面に第一スルーホール１１４０を含む陰極１１４を積層する。
【００３６】
前記第一階段において、前記第二絶縁隔離層１２１は、少なくとも一つの孔を含む平板であり、又は、間隔をおいて配列する複数のストリップ状体からなるものである。この場合、前記第三スルーホール１２１２は、前記平板の孔又は前記複数のストリップ状体の間の隙間である。本実施例において、前記第二絶縁隔離層１２１は、前記第三スルーホール１２１２としての直通穴を有する輪形のガラス板である。
【００３７】
前記第二階段において、前記陰極１１４は、スクリーン印刷、電気めっき、ＣＶＤ、マグネトロンスパッタリング、回転コーティング又は熱堆積などの方法によって形成された導電層である。本実施例において、前記陰極１１４は、マグネトロンスパッタリング方法によって前記第二絶縁隔離層１２１に形成された輪形のアルミニウム層である。前記第一スルーホール１１４０及び第三スルーホール１２１２の少なくとも一部を重畳させることにより、前記電子放出部１１５０を形成する。本実施例において、前記第一スルーホール１１４０と第三スルーホール１２１２とを、完全に重畳させる。
【００３８】
前記ステップ（ｆ）において、前記電界放出ユニット１１６は、カーボンナノチューブ導電ペーストを印刷して形成し、又は化学気相堆積法によって形成する。本実施例において、前記電界放出ユニット１１６の形成方法は、前記陰極１１４に輪形の導電ペースト層を堆積するステップ（ｆ１）と、３００℃〜４００℃の温度で前記導電ペースト層を乾燥するステップ（ｆ２）と、３００℃〜４００℃の温度で前記導電ペースト層を焼結（ｂａｋｉｎｇ）するステップ（ｆ３）と、前記導電ペースト層を冷却して前記電界放出ユニット１１６を形成するステップ（ｆ４）と、を含む。
【００３９】
前記ステップ（ｆ１）において、前記カーボンナノチューブ導電ペースト層は、スクリーン印刷方法によって前記陰極１１４に堆積される。前記カーボンナノチューブ導電ペーストは、カーボンナノチューブ、低融点ガラス粉末及び有機基材を含む。本実施例において、前記カーボンナノチューブの直径が１ｎｍ〜１０ｎｍであり、その長さが５μｍ〜１５μｍである。前記低融点ガラス粉末の直径が１０ｎｍより小さい。前記有機基材は、テルピネオール、エチルセルロース及びセバシン酸ジブチルを含む。前記テルピネオール、エチルセルロース及びセバシン酸ジブチルの重量比が１８０：１１：１０である。
【００４０】
前記ステップ（ｆ２）において、前記有機基材を揮発させる。本実施例において、真空環境、３５０℃の温度で前記導電ペースト層を２０分間焼結する。
【００４１】
前記ステップ（ｆ３）において、前記低融点ガラス粉末が融化される。本実施例において、真空環境、４３０℃の温度で前記導電ペースト層を３０分間焼結する。
【００４２】
前記ステップ（ｆ４）において、前記融化されたガラス粉末を凝固させることにより、前記カーボンナノチューブを前記陰極１１４に固定させる。
【００４３】
更に、前記ステップ（ｆ）は、前記ステップ（ｆ４）の後、前記電界放出ユニット１１６を表面処理するステップ（ｆ５）を含むことができる。前記電界放出ユニット１１６を表面処理する方法は、プラズマエッチング、レーザーエッチング又は接着テープピーリングなどがある。本実施例において、前記電界放出ユニット１１６の表面を、接着テープによってピーリングすることにより、前記電界放出ユニット１１６のカーボンナノチューブを前記電界放出ユニット１１６の表面に対して垂直に配置し、均一的に分散させることができる。
【００４４】
更に、前記ステップ（ｆ）は、前記ステップ（ｆ５）後、前記電界放出ユニット１１６に保護層を被覆するステップ（ｆ６）を含むことができる。前記保護層は、ジルコニウム炭化物、ハフニウム炭化物及びランタン六ホウ化物など抗イオン衝撃材料の一種又は数種からなる。本実施例において、前記保護層は、前記電界放出ユニット１１６に露出した各々のカーボンナノチューブの表面を覆っている。
【００４５】
前記ステップ（ｇ）において、前記電子放出部１１５０及び第二スルーホール１１２０の少なくとも一部を、重畳させる。本実施例において、前記陰極板１１５を前記第一絶縁隔離層１１２の前記絶縁基板１１０と反対側の表面に固定する場合、前記電子放出部１１５０の全体が前記第二スルーホール１１２０の中に位置する。
【００４６】
前記ステップ（ｈ）において、前記グリッド電極１２２は、スクリーン印刷、電気めっき、ＣＶＤ、マグネトロンスパッタリング、コーティング、熱堆積方法によって形成され、又は、メタルメッシュを直接的に前記第二絶縁隔離層１２１に設置してなるものであることができる。本実施例において、前記グリッド電極１２２は、ステンレス鋼ネットを直接的に前記第二絶縁隔離層１２１に設置して形成したものである。
【００４７】
（実施例２）
図５を参照すると、本実施例は、電界放出装置２００を提供する。本実施例の電界放出装置２００は実施例１の電界放出装置１００と比べて、次の異なる点がある。本実施例の二次電子放出層２２０において、陰極２１４の第一スルーホール２１４０に対向する領域に、少なくとも一つの第一突出部２２０２が形成されている。前記陰極２１４の、前記二次電子放出層２２０の第一突出部２２０２に対向する領域に、少なくとも一つの第二突出部２１４２が形成されている。前記電界放出ユニット２１６は、前記陰極２１４の第二突出部２１４２に配置されて、且つ前記電界放出ユニット２１６の電界放出体２１６２は前記第一突出部２２０２に向いている。
【００４８】
前記第一突出部２２０２は、円錐体であるが、前記第二突出部２１４２は、前記第一突出部２２０２の周囲を囲う環形突出物である。前記第二突出部２１４２と前記第一突出部２２０２との対向する表面は、互いに平行する。前記電界放出ユニット２１６の電界放出体２１６２は、前記第一突出部２２０２の前記第二突出部２１４２に対向する表面に垂直に延伸する。
【００４９】
（実施例３）
図６を参照すると、本実施例は、電界放出装置３００を提供する。本実施例の電界放出装置３００は実施例１の電界放出装置１００と比べて、次の異なる点がある。本実施例において、第二絶縁隔離層３２１の厚さが５００μｍより大きい。前記第二絶縁隔離層３２１の第三スルーホール３２１２の壁に、二次電子放出材料が堆積されている。好ましくは、前記第三スルーホール３２１２の孔径が、陰極３１４からグリッド電極３２２に向かう方向に、次第に減少している。前記グリッド電極３２２は、円環状導電層である。前記円環状グリッド電極３２２の円孔の直径は、前記第三スルーホール３２１２の前記グリッド電極３２２に隣接する端部の直径と同じであることができる。
【００５０】
（実施例４）
図７を参照すると、本実施例は、電界放出装置４００を提供する。前記電界放出装置４００は、実施例１の電界放出装置１００と比べて、次の異なる点がある。前記電界放出装置４００は、更に一つの二次電子増強電極４２４及び一つの第三絶縁隔離層４２６を含む。前記二次電子増強電極４２４及び第三絶縁隔離層４２６は、前記第二絶縁隔離層４２１と前記グリッド電極４２２の間に、配置されている。前記二次電子増強電極４２４は、グリッド電極４２２と前記第三絶縁隔離層４２６によって電気的に絶縁される。
【００５１】
前記二次電子増強電極４２４は、導電層であり、その厚さは５００μｍより大きい。前記二次電子増強電極４２４は、第四スルーホール４２４０を含む。前記第四スルーホール４２４０は、陰極４１４の第一スルーホール４１４０に対応して配置される。前記二次電子増強電極４２４の第四スルーホール４２４０の壁に、二次電子放出材料層４２４２が堆積されている。前記二次電子増強電極４２４の第四スルーホール４２４０の壁が凹凸構造を有することができる。前記第三絶縁隔離層４２６も、第四スルーホール４２４０と対応する開口（図示せず）を有する。前記電界放出装置４００を使用する場合に、電子引き出し電極４１８に印加する電圧は、前記陰極４１４に印加する電圧より高い。前記二次電子増強電極４２４に印加する電圧は、電子引き出し電極４１８に印加する電圧より高い。前記グリッド電極４２２に印加する電圧は、前記二次電子増強電極４２４に印加する電圧より高い。
【００５２】
（実施例５）
図８を参照すると、本実施例は、イオン源１０を提供する。前記イオン源１０は、真空容器１２と、電界放出電子源と、イオン電極１４と、を含む。前記電界放出電子源と前記イオン電極１４は、それぞれ前記真空容器１２の対向する両端に配置される。前記電界放出電子源から放出する電子は、前記真空容器１２の中で気体分子と衝突して、前記気体分子が電離されてイオンが生じ、前記イオンは前記イオン電極１４の作用で前記真空容器１２から放出される。
【００５３】
前記真空容器１２は、筒状容器である。前記筒状真空容器１２の一端が密封されるが、その一端に対向する他の端部にイオン放出口１８が形成されている。前記筒状真空容器１２の側壁に進気口１６が形成されている。前記真空容器１２の材料、寸法及び形状に対しては特に制限がない。前記真空容器１２は、絶縁材料又は半導体材料からなる場合、その内壁に導電層を形成する必要がある。本実施例において、前記筒状真空容器１２は、金属からなり、その断面が、辺長が１５ｍｍの正方形である。即ち、前記真空容器１２は、一側が密封されない正方体の金属筐体である。金属筐体の前記真空容器１２には、一つの電離室１５が形成されている。前記真空容器１２の密封されない側をイオン放出口１８としている。前記イオン源１０は、真空環境で作業する必要があるので、前記真空容器１２の電離室１５が所定の真空度を有することを確保する。前記筒状真空容器１２の側壁に形成された進気口１６によって、作業気体を該真空容器１２に導入させる。前記作業気体は、アルゴンガス、水素ガス、ヘリウムガス及びキセノンガスの一種又は数種である。
【００５４】
前記電界放出電子源は、実施例１〜４において提供された電界放出電子源１００、２００、３００、４００であることができる。本実施例において、前記イオン源１０には、実施例１において提供された電界放出電子源１００を採用する。前記電界放出電子源１００は、前記真空容器１２の電離室１５に配置される。前記電界放出電子源１００の絶縁基板１１０は、前記真空容器１２のイオン放出口１８に対向する面に接触する。前記電界放出電子源１００の電界放出ユニット１１６は、前記絶縁基板１１０とイオン放出口１８の間に位置し、前記電界放出電子源１００の電子放出部１１５０が、前記イオン放出口１８に対向する。
【００５５】
前記イオン電極１４は、金属網状構造体である。前記イオン電極１４は、前記真空容器１２のイオン放出口１８に配置され、且つ前記イオン電極１４は、前記真空容器１２の側壁によって支持される。前記イオン電極１４は、前記真空容器１２と絶縁層１３によって電気的に絶縁される。
【００５６】
前記イオン源１０を使用する場合に、前記イオン電極１４に負電圧を印加する。前記電界放出電子源１００の電界放出ユニット１１６からの電子が前記電子放出部１１５０によって放出された後、グリッド電極１２２を通じて加速されて、前記真空容器１２に入射される。前記真空容器１２に入射した電子を、気体分子と衝突させることにより、前記気体分子が電離されてイオンが生じ、前記イオンは前記イオン電極１４の作用で前記真空容器１２から放出される。
【００５７】
（実施例６）
図９を参照すると、本実施例は、イオン源２０を提供する。前記イオン源２０は、真空容器２２、電界放出電子源と、陽極２４を含む。
【００５８】
前記真空容器２２は、筒状容器であり、前記筒状真空容器２２が対向する二つの端部２２ａ、２２ｂと、側壁２２ｃと、を含む。該対向する二つの端部２２ａ、２２ｂ及び側壁２２ｃは、一つの電離室２２７を構成する。前記筒状真空容器２２の一つの端部２２ａにイオン放出口２８が形成され、前記筒状真空容器２２の一つの端部２２ｂに電子注入孔２７が形成されている。前記筒状真空容器２２の側壁２２ｃに進気口２６が形成されている。前記真空容器２２の材料、寸法及び形状に対しては特に制限がない。前記真空容器２２は、絶縁材料又は半導体材料からなる場合、側壁２２ｃの内側に導電層を形成する必要がある。前記真空容器２２は、金属材料からなる場合、該金属材料は、モリブデン、鋼又はチタンである。前記イオン源２０は、真空環境で作業する必要があるので、前記真空容器２２の電離室２２７が所定の真空度を有することを確保する。前記筒状真空容器２２の側壁２２ｃに形成された進気口２６によって、作業気体を該真空容器２２に導入させる。前記作業気体は、アルゴンガス、水素ガス、ヘリウムガス及びキセノンガスの一種又は数種である。
【００５９】
本実施例において、前記筒状真空容器２２の断面が円形である。即ち、前記真空容器２２は円筒形筐体である。前記筒状真空容器２２の長さは、その断面の直径の２倍よりも長くすることができる。好ましくは、前記真空容器２２の直径が１０ｍｍであり、その長さが３６ｍｍである。前記筒状真空容器２２の端部２２ａに形成されたイオン放出口２８は、円形である。前記円形イオン放出口２８の中心点は、前記円筒形真空容器２２の軸線上に位置する。前記筒状真空容器２２の端部２２ｂに形成された電子注入孔２７は、前記円筒形真空容器２２の軸線の一側に位置する。前記イオン放出口２８の孔径が１ｍｍであり、前記電子注入孔２７の孔径が４ｍｍである。
【００６０】
前記電界放出電子源は、実施例１〜４において提供された電界放出電子源１００、２００、３００、４００であることができる。本実施例において、前記イオン源２０は、実施例１において提供された電界放出電子源１００を採用する。前記電界放出電子源１００は、前記真空容器２２の外部であって、前記筒状真空容器２２の電子注入孔２７に隣接するように配置される。前記電界放出電子源１００の電子放出部１１５０が、前記電子注入孔２７に対向する。前記電界放出電子源１００から放出された電子が前記電子注入孔２７によって前記筒状真空容器２２の電離室２２７に入射する。
【００６１】
前記陽極２４は、金属環であり、前記円筒状真空容器２２の電離室２２７に配置される。前記陽極２４の内径が０．２ｍｍである。前記環状陽極２４の中心点は、前記円筒形真空容器２２の軸線上に位置することが好ましい。前記陽極２４と真空容器２２との間に電位差がある場合、前記電離室２２７にサドル形の電場が生じる。前記電離室２２７のサドル形の電場は、電子の運動軌跡を延長するので、電子と作業気体分子の間の衝突率を高めて、前記気体分子が電離されてイオンになることを促進できる。
【００６２】
更に、イオン源２０は、開口レンズ２９を含むことができる。前記開口レンズ２９は、前記真空容器２２の外部であって、前記イオン放出口２８に隣接するように配置される。前記開口レンズ２９は、前記イオン放出口２８から放出されたイオンを集中させるために配置されている。前記開口レンズ２９は、第一電極２１、第二電極２３及び第三電極２５を含む。前記開口レンズ２９には、前記第三電極２５、前記第二電極２３及び前記第一電極２１が、前記イオン放出口２８を離れる方向に順に積層されている。前記開口レンズ２９には、前記第一電極２１、第二電極２３及び第三電極２５を貫通したスルーホール２１１が形成されている。前記スルーホール２１１の孔径は、前記第三電極２５から前記第一電極２１までの方向に、次第に減少している。
【００６３】
前記イオン源２０を使用する場合に、前記電界放出電子源１００の電界放出ユニット１１６からの電子が前記電子放出部１１５０によって放出した後、グリッド電極１２２で加速されて、該グリッド電極１２２を通じて前記真空容器２２の電子注入孔２７から電離室２２７に入射する。前記電離室２２７に入射した電子は、前記電離室２２７のサドル形の電場作用で前記電離室２２７に繰り返して振動され、作業気体分子と衝突して、前記気体分子が電離されてイオンが生じ、該イオンは前記イオン放出口２８から放出される。前記真空容器２２から放出したイオンは、前記開口レンズ２９に達し、且つ前記開口レンズ２９に所定のイオン束を形成することができる。
【００６４】
（実施例７）
図１０を参照すると、本実施例は、イオン源３０を提供する。前記イオン源３０は、第四絶縁層１２８と、電界放出電子源と、イオン電極１３０とを含む。前記電界放出電子源は、実施例１〜４において提供された電界放出電子源１００、２００、３００、４００であることができる。本実施例において、前記イオン源３０は、実施例１において提供された電界放出電子源１００を採用する。
【００６５】
前記第四絶縁層１２８は、前記電界放出電子源１００のグリッド電極１２２の前記絶縁基板１１０と反対側の表面に設置される。前記第四絶縁層１２８は、第五スルーホール１２８０を含む。前記第五スルーホール１２８０は、前記電子放出部１１５０に対応するように設置される。前記第五スルーホール１２８０は、一つの真空空間を画定する。前記第五スルーホール１２８０の体積が、前記第二スルーホール１１２０の体積と同じ、又は、前記第二スルーホール１１２０の体積よりも大きい。前記第四絶縁層１２８は、筒状構造体であり、その側壁に一つの進気口１２８２が形成されている。前記進気口１２８２によって、作業気体を該真空空間に導入させる。前記イオン電極１３０は、金属網状構造体であり、それは前記第四絶縁層１２８の側壁によって支持される。前記イオン電極１３０は、前記第四絶縁層１２８のグリッド電極１２２と反対側の端面に接触する。前記イオン源３０は、真空環境で作業する必要があるので、前記第四絶縁層１２８の第五スルーホール１２８０が所定の真空度を有することを確保する。前記イオン源３０を使用する場合に、前記イオン電極１３０に負電圧を印加する。前記電界放出電子源１００の電界放出ユニット１１６からの電子が前記電子放出部１１５０によって放出された後、グリッド電極１２２で加速されて、該グリッド電極１２２を通じて前記第四絶縁層１２８の第五スルーホール１２８０に入射する。前記第四絶縁層１２８に入射した電子が作業気体分子と衝突することにより、前記気体分子が電離されてイオンを生じ、前記イオンは前記イオン電極１３０の作用で前記第四絶縁層１２８から放出される。
【符号の説明】
【００６６】
１００、２００、３００、４００ 電界放出電子源
１１０、２１０、３１０、４１０ 絶縁基板
１２０、２２０、３２０、４２０ 二次電子放出層
１１８、２１８、３１８、４１８ 電子引き出し電極
１１２、２１２、３１２、４１２ 第一絶縁隔離層
１１２０ 第二スルーホール
１１６、２１６、３１６、４１６ 電界放出ユニット
１１４、２１４、３１４、４１４ 陰極
１１６２、２１６２ 電界放出体
１１６４、２１６４ 電界放出部
１２１、２２１、３２１、４２１ 第二絶縁隔離層
１２２、２２２、３２２、４２２ グリッド電極
１１４０、２１４０、４１４０ 第一スルーホール
１２１２、３２１２ 第三スルーホール
１１５０ 電子放出部
１１５ 陰極板
２１４２ 第二突出部
２２０２ 第一突出部
４２４０ 第四スルーホール
３２１４、４２４２ 二次電子放出材料層
４２６ 第三絶縁隔離層
４２４ 二次電子増強電極
１０、２０、３０ イオン源
１２、２２ 真空容器
１４、１３０ イオン電極
１８、２８ イオン放出口
１６、２６、１２８２ 進気口
１５、２２７ 電離室
１３ 絶縁層
２４ 陽極
２１１ スルーホール
２９ 開口レンズ
２１ 第一電極
２３ 第二電極
２５ 第三電極
２２ａ、２２ｂ 端部
２２ｃ 側壁
２７ 電子注入孔
１２８ 第四絶縁層
１２８０ 第五スルーホール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、電界放出電子源と、イオン電極と、を含むイオン源であって、
前記真空容器は、電離室と、イオン放出口と、進気口と、を含み、
前記イオン電極は、前記真空容器のイオン放出口に設置され、
前記電界放出電子源は、前記真空容器の電離室に設置され、
前記電界放出電子源は、絶縁基板と、電子引き出し電極と、二次電子放出層と、陰極板と、電界放出ユニットと、を含み、
前記電子引き出し電極及び二次電子放出層は、前記絶縁基板の一つの表面に配置され、
前記陰極板は、一つの第一絶縁隔離層によって前記電子引き出し電極と間隔をおいて絶縁的に配置され、
前記陰極板の少なくとも一部が前記二次電子放出層に対向し、
前記陰極板は、少なくとも一つの電子放出部を含み、該電子放出部が前記真空容器のイオン放出口に対向し、
前記電界放出ユニットは、前記陰極板の前記二次電子放出層に対向する表面に配置されることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
真空容器と、電界放出電子源と、陽極と、を含むイオン源であって、
前記真空容器は、対向する二つの端部と、側壁と、を含み、該対向する二つの端部及び側壁は、一つの電離室を構成し、該側壁に進気口が形成され、前記二つの端部にそれぞれイオン放出口及び電子注入孔が形成され、
前記陽極は、前記真空容器の電離室に設置され、
前記電界放出電子源は、前記電子注入孔に隣接して前記真空容器の外部に配置され、
前記電界放出電子源は、絶縁基板と、電子引き出し電極と、二次電子放出層と、陰極板と、電界放出ユニットと、を含み、
前記電子引き出し電極及び二次電子放出層は、前記絶縁基板の一つの表面に配置され、
前記陰極板は、一つの第一絶縁隔離層によって前記電子引き出し電極と間隔をおいて絶縁的に配置され、
前記陰極板の少なくとも一部が前記二次電子放出層に対向し、
前記陰極板は、少なくとも一つの電子放出部を含み、該電子放出部が前記真空容器の電子注入孔に対向し、
前記電界放出ユニットは、前記陰極板の前記二次電子放出層に対向する表面に配置されることを特徴とするイオン源。
【請求項３】
絶縁層と、電界放出電子源と、イオン電極と、を含むイオン源であって、
前記電界放出電子源は、絶縁基板と、電子引き出し電極と、二次電子放出層と、陰極板と、電界放出ユニットと、グリッド電極と、を含み、
前記電子引き出し電極及び二次電子放出層は、前記絶縁基板の一つの表面に配置され、
前記陰極板は、一つの第一絶縁隔離層によって前記電子引き出し電極と間隔をおいて絶縁的に配置され、
前記陰極板の少なくとも一部が前記二次電子放出層に対向し、
前記陰極板は、少なくとも一つの電子放出部を含み、
前記電界放出ユニットは、前記陰極板の二次電子放出層に対向する表面に配置され、
前記グリッド電極は、前記陰極板の二次電子放出層と反対側の表面に、絶縁的に配置され、
前記絶縁層は、前記電界放出電子源のグリッド電極の前記絶縁基板と反対側の表面に設置され、
前記絶縁層は、第五スルーホールを含み、前記絶縁層の側壁に進気口が形成され、
前記イオン電極は、前記絶縁層のグリッド電極と反対側の端面に接触するように配置されたことを特徴とするイオン源。
【請求項４】
前記電界放出ユニットは、複数の電界放出体を含み、各々の前記電界放出体は、電界放出部を含み、前記電界放出部は、前記二次電子放出層と対向し、前記電界放出部と前記二次電子放出層の間の最大距離が電子とガス分子の平均自由行程より小さいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの一項に記載のイオン源。
【請求項１】
真空容器と、電界放出電子源と、イオン電極と、を含むイオン源であって、
前記真空容器は、電離室と、イオン放出口と、進気口と、を含み、
前記イオン電極は、前記真空容器のイオン放出口に設置され、
前記電界放出電子源は、前記真空容器の電離室に設置され、
前記電界放出電子源は、絶縁基板と、電子引き出し電極と、二次電子放出層と、陰極板と、電界放出ユニットと、を含み、
前記電子引き出し電極及び二次電子放出層は、前記絶縁基板の一つの表面に配置され、
前記陰極板は、一つの第一絶縁隔離層によって前記電子引き出し電極と間隔をおいて絶縁的に配置され、
前記陰極板の少なくとも一部が前記二次電子放出層に対向し、
前記陰極板は、少なくとも一つの電子放出部を含み、該電子放出部が前記真空容器のイオン放出口に対向し、
前記電界放出ユニットは、前記陰極板の前記二次電子放出層に対向する表面に配置されることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
真空容器と、電界放出電子源と、陽極と、を含むイオン源であって、
前記真空容器は、対向する二つの端部と、側壁と、を含み、該対向する二つの端部及び側壁は、一つの電離室を構成し、該側壁に進気口が形成され、前記二つの端部にそれぞれイオン放出口及び電子注入孔が形成され、
前記陽極は、前記真空容器の電離室に設置され、
前記電界放出電子源は、前記電子注入孔に隣接して前記真空容器の外部に配置され、
前記電界放出電子源は、絶縁基板と、電子引き出し電極と、二次電子放出層と、陰極板と、電界放出ユニットと、を含み、
前記電子引き出し電極及び二次電子放出層は、前記絶縁基板の一つの表面に配置され、
前記陰極板は、一つの第一絶縁隔離層によって前記電子引き出し電極と間隔をおいて絶縁的に配置され、
前記陰極板の少なくとも一部が前記二次電子放出層に対向し、
前記陰極板は、少なくとも一つの電子放出部を含み、該電子放出部が前記真空容器の電子注入孔に対向し、
前記電界放出ユニットは、前記陰極板の前記二次電子放出層に対向する表面に配置されることを特徴とするイオン源。
【請求項３】
絶縁層と、電界放出電子源と、イオン電極と、を含むイオン源であって、
前記電界放出電子源は、絶縁基板と、電子引き出し電極と、二次電子放出層と、陰極板と、電界放出ユニットと、グリッド電極と、を含み、
前記電子引き出し電極及び二次電子放出層は、前記絶縁基板の一つの表面に配置され、
前記陰極板は、一つの第一絶縁隔離層によって前記電子引き出し電極と間隔をおいて絶縁的に配置され、
前記陰極板の少なくとも一部が前記二次電子放出層に対向し、
前記陰極板は、少なくとも一つの電子放出部を含み、
前記電界放出ユニットは、前記陰極板の二次電子放出層に対向する表面に配置され、
前記グリッド電極は、前記陰極板の二次電子放出層と反対側の表面に、絶縁的に配置され、
前記絶縁層は、前記電界放出電子源のグリッド電極の前記絶縁基板と反対側の表面に設置され、
前記絶縁層は、第五スルーホールを含み、前記絶縁層の側壁に進気口が形成され、
前記イオン電極は、前記絶縁層のグリッド電極と反対側の端面に接触するように配置されたことを特徴とするイオン源。
【請求項４】
前記電界放出ユニットは、複数の電界放出体を含み、各々の前記電界放出体は、電界放出部を含み、前記電界放出部は、前記二次電子放出層と対向し、前記電界放出部と前記二次電子放出層の間の最大距離が電子とガス分子の平均自由行程より小さいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの一項に記載のイオン源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１８９０５（Ｐ２０１２−１８９０５Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９３１９２（Ｐ２０１０−２９３１９２）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（５９８０９８３３１）ツィンファ ユニバーシティ (534)
【出願人】（５０００８０５４６）鴻海精密工業股▲ふん▼有限公司 (1,018)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（５９８０９８３３１）ツィンファ ユニバーシティ (534)
【出願人】（５０００８０５４６）鴻海精密工業股▲ふん▼有限公司 (1,018)
【Ｆターム（参考）】
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