電子線源
【課題】 冷陰極と支持基板との密着性が問題にならず良好な電子放出特性を実現可能な冷陰極によって放出された電子線の特性を維持して照射する技術を提供する。
【解決手段】 表面に凹凸が形成されたグラファイトによって形成される冷陰極１２と、冷陰極１２から電子の放出が可能となる所望の電圧を冷陰極１２に対して印加する第１の電源と、冷陰極１２に対する陽極となり冷陰極１２から放出された電子を誘引し透過する膜１６と、を有する。
【解決手段】 表面に凹凸が形成されたグラファイトによって形成される冷陰極１２と、冷陰極１２から電子の放出が可能となる所望の電圧を冷陰極１２に対して印加する第１の電源と、冷陰極１２に対する陽極となり冷陰極１２から放出された電子を誘引し透過する膜１６と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷陰極の表面に電界を発生させて、その電界により冷陰極から電子を放出させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空中に置かれた金属の表面に閾値以上の電界を発生させると、金属中の電子が、表面近傍のポテンシャル障壁を量子トンネル効果によって通過し、室温でも真空中に放出される。この現象を、冷陰極電界放出、または単に電界放出（フィールドエミッション）と呼ぶ。近年、冷陰極電界放出を利用した平面型の画像表示装置（フィールドエミッションディスプレイ：ＦＥＤ）が提案され、陰極線管（ＣＲＴ）に代わる表示装置として期待されている。
【０００３】
電界放出型冷陰極装置の代表的な例として、スピント（Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ）らの提案によるスピント型冷陰極装置が挙げられる。スピント型冷陰極装置においては、モリブデン等からなる微小な円錐状の突起を冷陰極として用いる。ところが、微小な円錐状の突起を、形状の再現性良く作製することが困難であり、製造歩留まりが低い。
【０００４】
特許文献１〜特許文献４に、カーボンナノチューブ等を用いた冷陰極装置が開示されている。これらの冷陰極装置では、支持基板上に形成されたカーボンナノチューブが冷陰極として作用する。また、特許文献１の従来の技術の欄に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）薄膜やダイヤモンド薄膜を支持基板上に堆積させ、この薄膜を冷陰極として用いる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−８６０８０号公報
【特許文献２】特開２００３−８６０７９号公報
【特許文献３】特開平１１−３２９３１２号公報
【特許文献４】特開平１０−１４９７６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
支持基板上にカーボンナノチューブ等を形成した構造では、カーボンナノチューブ等と支持基板との間で充分な密着性が得られない。また、支持基板上に形成されたカソード電極と冷陰極との界面での電圧降下が、電子放出特性の劣化（電流飽和）の原因になる。また、界面に電流が集中することにより、冷陰極の破壊等が生じやすくなる。
【０００６】
本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の課題は、冷陰極と支持基板との密着性が問題にならず良好な電子放出特性を実現可能な冷陰極によって放出された電子線の特性を維持してこの電子線を照射することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段とした。
すなわち、本発明は、表面に凹凸が形成されたグラファイトによって形成される冷陰極と、冷陰極から電子の放出が可能となる所望の電圧を当該冷陰極に対して印加する第１の電源と、冷陰極に対する陽極となり当該冷陰極から放出された電子を誘引し透過する膜と、を有する。
【０００８】
本発明は、電子を照射する電子線源において、表面に凹凸が形成されたグラファイトによって形成される冷陰極を用い、その冷陰極から放出された電子を引き寄せる陽極として電子を透過可能な膜を用いた。
【０００９】
従って、本発明によれば、良好な電子放出特性を有する冷陰極から放出された電子線の特性を維持して照射することができる。
【００１０】
また、本発明は、膜が、少なくともダイヤモンド及びシリコンのいずれかを含む、軽元素を含有する材料によって形成されてもよい。
【００１１】
このようにすることによって、本発明は、膜が低抵抗の材料で形成される。このため、本発明によれば、膜の陽極としての機能を向上することができる。
【００１２】
また、本発明は、膜が、膜厚の異なる複数の領域を有してもよい。
【００１３】
このようにすることによって、本発明は、電子の透過性能を維持しつつ所定の強度を有する膜を提供することができる。
【００１４】
また、本発明は、膜における複数の領域のうち、膜厚の薄い領域において前記電子が透過するようにしてもよい。
【００１５】
また、本発明は、膜における複数の領域が、エッチング処理によって形成されてもよい。
【００１６】
また、本発明は、膜に対して導電層を形成してもよい。
【００１７】
また、本発明は、冷陰極を含む電子が放出される所定の領域を囲繞するように形成され、電子の放出方向に開口部を備える外壁部をさらに有し、膜が開口部に設けられるようにしてもよい。
【００１８】
さらに、本発明は、膜が、開口部における外壁部外方から貼り付けられるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
グラファイトからなる部材の表面に凹凸を形成することにより、冷陰極として用いることが可能になる。この冷陰極の表面の凸部は、本来グラファイト基板と一体であったものであるため、基板と凸部との密着性が問題になることはない。また、両者の間に明確な界面は存在しないため、基板と凸部との接触抵抗に起因する電子放出特性の劣化もない。そして、本発明によれば、冷陰極と支持基板との密着性が問題にならず良好な電子放出特性を実現可能な冷陰極によって放出された電子線の特性を維持して照射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の電子線源の一実施の形態に係る、電子線発生装置、及びこの電子線発生装置で用いる冷陰極並びに薄膜の構成について説明する。
【００２１】
<冷陰極の構成>
本発明の一実施の形態に係る冷陰極の製造方法について説明する。まず、表面が鏡面状のグラファイト製の基板を準備する。この基板の表面を水素プラズマに晒す。この水素プラズマ処理は、例えば、マイクロ波プラズマエッチング装置を用いて行うことができる。
【００２２】
図１（Ａ）に、水素プラズマ処理前のグラファイト基板の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示し、図１（Ｂ）に、水素プラズマ処理後のグラファイト基板の表面のＳＥＭ写真を示す。図１（Ｂ）に示したグラファイト基板は、マイクロ波プラズマエッチング装置を用い、入力ＲＦパワー８００Ｗ、圧力約１３３０Ｐａ（約１０Ｔｏｒｒ）、水素流量８０ｓｃｃｍの条件で３０分間の水素プラズマ処理を行ったものである。
【００２３】
図１（Ａ）に示されるように、水素プラズマ処理前の基板表面は、ほぼ平坦である。水素プラズマ処理を行うと、図１（Ｂ）に示されているように、面内の寸法が約０．５μｍ程度の微細な凹凸が形成される。一つの窪みと、それに隣接する窪みとの境界に尾根状の凸部が形成されていると考えられる。この尾根状の凸部の高さは一定ではなく、うねりをもっていると考えられる。このため、尾根状の凸部に沿って、先の尖った突起部が離散的に分布していると考えられる。
【００２４】
凹凸の形成されたグラファイト基板の表面に電界を発生させると、突起部の先端に電界が集中する。このため、表面が鏡面状である場合に比べて、グラファイト基板から電子が放出されやすいと考えられる。
【００２５】
図２に、グラファイト基板の電子放出特性の測定結果を示す。横軸はグラファイト基板の表面に発生する電界を単位「Ｖ／μｍ」で表し、縦軸は、グラファイト基板から放出された電子による電流を単位「Ａ」で表す。図中の破線は、水素プラズマ処理前のグラファイト基板の測定結果を示し、実線は、水素プラズマ処理後のグラファイト基板の測定結果を示す。
【００２６】
水素プラズマ処理前の、表面が鏡面状のグラファイト基板からは、ほとんど電子が放出されないことがわかる。水素プラズマ処理により表面に凹凸を形成したグラファイト基板からは、表面の電界が１０Ｖ／μｍを超えた領域で電子が放出されていることがわかる。このため、水素プラズマ処理したグラファイト基板は、冷陰極として用いることが可能である。電子放出の閾値は、約１０Ｖ／μｍと考えられる。
【００２７】
本実施例では、表面を水素プラズマに晒すことにより、突起が形成される。このため、支持基板上に多数の突起を成長させるスピント型冷陰極に比べて、製造工程を簡略化することができる。水素プラズマ処理で形成された突起は、本来グラファイト基板と一体であったため、突起と下地との密着性に起因する問題は生じない。また、グラファイト基板自体がカソード電極となるため、突起とカソード電極との接触抵抗に起因する問題も生じない。このように、本実施例による方法により、低価格、長寿命、かつ安定な冷陰極を作製することができる。
【００２８】
水素プラズマ処理は、入力ＲＦパワー１００〜１０００Ｗ、圧力１．３３×１０２〜１．３３×１０４Ｐａ（１〜１００Ｔｏｒｒ）、水素流量５〜１００ｓｃｃｍ、処理時間１〜１００分の範囲内の条件で行ってもよい。この範囲内の条件で水素プラズマ処理を行っても、良好な電子放出特性を得ることができる。また、水素プラズマとグラファイト基板との間に適当な電位差を設けると、表面に形成される凹凸の高低差がより大きくなる場合がある。凹凸の高低差が大きくなると、より良好な電子放出特性を得ることができる。
【００２９】
本実施例では、マイクロ波プラズマエッチング装置を用いて水素プラズマ処理を行ったが、その他のプラズマエッチング装置、例えば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ装置、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置等を用いてもよい。また、グラファイトを化学的にエッチングするためのガスとして、水素以外に、酸素、ＣＦ４等を用いることも可能である。なお、処理条件によっては、化学的なエッチング作用に物理的なスパッタリング作用が共存して、グラファイト基板の表面に凹凸が形成される。
【００３０】
本実施例では、主として化学的なエッチング作用を利用して、グラファイト基板に凹凸を形成したが、主として物理的なスパッタリング作用を利用してもよい。例えば、スパッタリングガスとしてアルゴン（Ａｒ）や窒素（Ｎ２）を用いることができる。また、サンドブラスト等の機械的な表面処理により、グラファイト基板の表面に凹凸を形成してもよい。また、パルスレーザビームをグラファイト基板の表面に照射して損傷を与えることにより、凹凸を形成してもよい。
【００３１】
なお、本実施例において、上述の表面処理を組み合わせてもよい。例えば、機械的な表面処理によって凹凸を形成し、その後化学的なエッチングまたは物理的なスパッタリングを行ってもよい。
【００３２】
また、本実施例において、グラファイト表面に凹凸を形成した後、表面にＣＯ２レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等のレーザビームを照射することにより、電子放出特性を向上させることができるであろう。カーボンナノチューブを用いた冷陰極にレーザビームを照射すると電子放出特性が向上することが報告されている（例えば、J. S. Kim et. al., "Ultraviolet laser treatment of multiwall carbon nanotubes grown at room temperature" Appl. Phys. Lett. 82, 1607 (2003)）。
【００３３】
図３に、本実施例による方法で作製したグラファイト製の冷陰極の電子放出特性を、従来の冷陰極の電子放出特性と比較して示す。横軸は、冷陰極の表面の電界を単位「Ｖ／μｍ」で表し、縦軸は、電子放出に起因する電流を単位「Ａ」で表す。図中の実線ａ、ｂ、及びｃは、それぞれ本実施例による方法で作製したグラファイト製の冷陰極、ＦｅＮｉ合金基板上に熱ＣＶＤで形成したグラファイトナノファイバ（ＧＮＦ）を用いた冷陰極、及びＦｅＮｉ合金基板上にプラズマＣＶＤにより形成したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いた冷陰極の電子放出特性を示す。
【００３４】
図３によれば、実施例による方法で作製したグラファイト製の冷陰極のグラフの傾きが、他の２つの冷陰極のグラフの傾きよりも急峻である。これは、抵抗成分が小さいことを表している。
【００３５】
<電子線発生装置の構成>
図４に、上記冷陰極を用いた、本発明の電子線源の一実施の形態である電子線発生装置１の断面図を示す。電子線発生装置１は、一端が閉じ他端が開放された円筒状のガラスバルブ１０の開放端に、フェースガラス１１が低融点フリットガラスまたは真空用接着剤などの適宜の接着材料により接着され、外壁２が構成されている。
【００３６】
また、フェースガラス１１は、中心部分に開口部１５を有する。開口部１５の外方（外壁２を形成する側）には、開口部１５を覆うように電子線取出し用の薄膜１６が設けられる。この薄膜１６が図のように外方に設けるのは、外壁２の内部の空間は、圧力が１．３３×１０−３Ｐａ（１×１０−５Ｔｏｒｒ）以下になるように真空排気されているため、例えば開口部１５の内方に薄膜１６を設けた場合には、その圧力によって薄膜１６が引き込まれてしまうことを避けるためである。
【００３７】
薄膜１６は、例えばダイヤモンドあるいはシリコンなど、軽元素からなる素材を薄膜化したものを用いる。薄膜１６にこのような素材を用いるのは、冷陰極１２から照射された電子線が透過するためである。
【００３８】
また、薄膜１６は、このような素材を用いることによって、低抵抗(０．０１Ωから０．００１Ω)のもので導電性を有する。そして、薄膜１６は、電気的に接続されて接地されることにより、冷陰極１２に対する陽極としての役割も果たす。
【００３９】
薄膜１６は、上述のように冷陰極１２から放出された電子線を電子線発生装置1の外部へ放出するために、電子を所定の効率で透過することができるようにすることが要求される。また、薄膜１６は、上述のように外壁２内部が真空排気されていることから、その圧力によって破損することがないような所定の強度を有することが要求される。要求されるこのような特性を両立するために、薄膜１６は、電子の透過効率を満たす第１の領域と圧力に対する強度を維持する第２の領域との、膜厚の異なる複数の領域を有している。
【００４０】
図５は、薄膜１６を照射される電子線と向かい合う（冷陰極１２の平面と向かい合う）方向から見た平面図である。また、図６は、薄膜１６の縦断面を示す図である。薄膜１６は、開口部１５の内径D全体を覆うのに十分な大きさ（外径）を有していることが望ましい。薄膜１６は、例えば、所定の区画２０で抜き出したと仮定すると、その区画２０中に膜厚の薄い第１領域２１と膜厚の厚い第２の領域２２とを有している。そして、薄膜１６は、このような第１の領域２１と第２の領域２２とが平面中に適宜の配列で多数設けられている。なお、本実施の形態において、一つの区画２０を１５０μm四方とすると、第１領域は直径７５μmとし区画２０上の残りの領域が第２領域２２となっている。なお、この第1領域２１と第２領域２２との比率は一例であり、適宜定めることができる。
【００４１】
第１領域２１と第２領域２２との膜厚は、例えば第１領域２１が１μmで第２領域２２が５０μmである。この膜厚の数値、及び複数の領域の比率並びにその形状は例示であり、それらは上述のように電子の透過効率を満たしつつ薄膜の強度を維持可能なものであれば適宜設定可能である。そして、このような２つの領域を薄膜１６の表面上に多数配置することによって、上述のような薄膜１６に要求される特性を満たしている。
【００４２】
電子線発生装置１は、電源に接続されたリードピン１７が、ガラスバルブ１０内において、閉じられた側の端部からフェースガラス１１に向かって延伸されている。また、電子線発生装置１は、リードピン１７の先端に、冷陰極１２が配置されている。すなわち、冷陰極１２は、リードピン１７により、ガラスバルブ１０内に支持されている。
【００４３】
冷陰極１２は、上記冷陰極の構成で説明したグラファイト基板であり、その凹凸を付された面がフェースガラス１１（薄膜１６）に対向している。冷陰極１２と薄膜１６に電圧を印加すると、双方間において双方が近づく向きの静電気力が発生する。
【００４４】
リードピン１７は、ガラスバルブ１０の閉じられた端部を貫通して外部まで導出されている。薄膜１６は、不図示の電源及び接地に対して電気的に接続されている。リードピン１７及び配線１８を介して冷陰極１２に所定の電圧が印加され、陽極である薄膜１６に所定の電圧が印加される。
【００４５】
冷陰極１２には、冷陰極１２から電子が放出されるのに充分な大きさの電圧が印加される。薄膜１６には、冷陰極１２に印加される電圧よりも高い電圧が印加される。冷陰極１２から放出された電子が、薄膜１６に近づくにつれて、この薄膜１６に印加されている電圧によって加速される。そして、電子は、薄膜１６に入射する。薄膜１６に入射した電子は、この薄膜１６を貫通し透過して外部に放射される。
【００４６】
以上のような構成を有する電子線発生装置１によれば、電子の透過効率を満たす第１領域と圧力に対する強度を維持する第２領域との、膜厚の異なる複数の領域を有する導電性のある材料からなる薄膜１６を用いることによって、良好な電子放出特性を実現可能な冷陰極によって放出された電子線の特性を維持して照射することができる。
【００４７】
<薄膜の生成方法>
次に、本実施の形態に係る、薄膜１６の生成方法の一例について説明する。
【００４８】
図７は、薄膜１６の生成方法を例示する図である。上述のように、薄膜１６は、電子の透過効率を満たす第１領域と圧力に対する強度を維持する第２領域との、膜厚の異なる複数の領域を有する。そのため、薄膜１６には、これら２つの領域を膜上に生成する必要がある。
【００４９】
まず、薄膜１６の材料として、例えばSi層とSiO２層とが積層した、Si基板を用いる。このような材料のうち、第１領域となりうる部分においては、Si層（（１）の層：膜厚３００〜６００μm）とSiO２層（（２）の層：膜厚１〜２μm）とを取り除き、（３）のSi層のみを残すようにする。
【００５０】
（１）の層を取り除くには、例えば公知のDeep RIE（Reactive Ion Etching）プロセスでC４F８,SF６ガスを利用してエッチングを行う。この方法を用いることで、（１）のSi層のみを除去することができる。その後、（２）のSiO２層を取り除くには、公知の方法によって可能である。すなわち、（２）のSiO２層を取り除くには、ドライプロセスで行うときはCHF３＋Arガスを利用して行い、ウェットプロセスで行うときはBuffered HFを利用して行う。
【００５１】
そうすることで、薄膜１６は、(１)及び（２）の層を取り除いた部分（第１領域）の膜厚が（３）の層のみの１〜２μmとなり、この部分が第１の領域となる。また、第１の領域は、他の部分（第２領域）の膜厚よりも薄いことから電子の透過率が高くなる。このとき、第１領域となる（３）のSi層は、１μmの膜厚であれば、電子線が２０keVで照射されたときには、１２keVの電子線が７０％透過することが明らかとなった。そして、薄膜１６は、第１領域以外の部分については膜厚の厚い第２領域となるため、所定の強度を確保することが可能となる。
【００５２】
なお、以上の薄膜１６として用いた材料、及びその加工方法などは一例であり、低抵抗（０．０１Ω〜０．００１Ω）の薄膜として利用可能な材料で、電子の透過効率を満たす第１領域と圧力に対する強度を維持する第２領域とを形成することが可能なものであれば、他の材料を用いることが可能である。
【００５３】
また、薄膜１６に対して、図７のようにその面上に導電性のある材料（例えばアルミなどの金属材料）による層を何らかの方法によって設けることも可能である。
【００５４】
<変形例>
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等により、様々な装置等の作製が可能なことは当業者に自明であろう。本実施例の変形例としては、例えば以下のものが挙げられる。
【００５５】
図８は、電子線発生装置の第１の変形例を示す図である。この変形例と上述の電子線発生装置１との相違点は、冷陰極１２の凹凸が形成された面に対向するように、グリッド１３が配置されていることにある。
【００５６】
冷陰極１２とグリッド１３との間隔は、０．５〜１ｍｍ程度に設定される。グリッド１３は平面に沿った形状にしてもよいが、冷陰極１２から遠ざかる方向に膨らんだ球面に沿う形状にしてもよい。冷陰極１２(−２０keV)とグリッド１３(−１８keV)とに電圧を印加すると、両者に電位差が生じ両者が近づく向きの静電気力が発生する。また、グリッド１３を球面に沿う形状にすることにより、グリッド１３と冷陰極１２との接触を生じにくくすることができる。
【００５７】
グリッド１３を設けることで、冷陰極１２とグリッド１３との間に、冷陰極１２から電子が放出されるのに充分な大きさの電圧が印加される。薄膜１６には、グリッド１３に印加される電圧よりも高い電圧が印加される。冷陰極１２から放出された電子が、グリッド１３を通過し、薄膜１６に印加されている電圧によって加速され、薄膜１６に入射する。
【００５８】
図９は、電子線発生装置の第２の変形例を示す図である。この変形例と上述の電子線発生装置１との相違点は、外壁２の内部に薄膜１６から電源への電気的接続を行うリードピン１９と配線２０とを行ったことにある。
【００５９】
図１０は、電子線発生装置の第３の変形例を示す図である。この変形例は、上記第１の変形例と第２の変形例とを組合せたように構成したことが特徴である。
【００６０】
また、電子線発生装置１において、冷陰極１２は平板上であるが、本発明ではこれに限定されず、例えば針状や棒状のものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の冷陰極は、放射線発生装置や照明装置の電子ビーム源として使用することができる。また、本発明の電子線源は、電子線殺菌装置、排ガス測定装置、環境汚染測定装置、大気汚染測定装置、電子線樹脂硬化装置等の電子線光源に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１（Ａ）】水素プラズマ処理前のグラファイト基板のＳＥＭ写真である。
【図１（Ｂ）】実施例による方法で水素プラズマ処理を行ったグラファイト基板のＳＥＭ写真である。
【図２】水素プラズマ処理前後のグラファイト基板の電子放出特性を示すグラフである。
【図３】実施例による方法で作製したグラファイト製の冷陰極、従来のカーボンナノチューブおよびグラファイトナノファイバを使用した冷陰極の電子放出特性を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施の形態に係る電子線発生装置の断面図である。
【図５】薄膜の正面図である。
【図６】薄膜の断面図である。
【図７】薄膜の生成方法を図示する断面図である。
【図８】第１の変形例による電子線発生装置の断面図である。
【図９】第２の変形例による電子線発生装置の断面図である。
【図１０】第３の変形例による電子線発生装置の断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１ 電子線発生装置
２ 外壁
１０ ガラスバルブ
１１ フェースガラス
１２ 冷陰極
１３ グリッド
１５ 開口部
１６ 薄膜
１７ リードピン
１８ 配線
１９ リードピン
２０ 区画
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷陰極の表面に電界を発生させて、その電界により冷陰極から電子を放出させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空中に置かれた金属の表面に閾値以上の電界を発生させると、金属中の電子が、表面近傍のポテンシャル障壁を量子トンネル効果によって通過し、室温でも真空中に放出される。この現象を、冷陰極電界放出、または単に電界放出（フィールドエミッション）と呼ぶ。近年、冷陰極電界放出を利用した平面型の画像表示装置（フィールドエミッションディスプレイ：ＦＥＤ）が提案され、陰極線管（ＣＲＴ）に代わる表示装置として期待されている。
【０００３】
電界放出型冷陰極装置の代表的な例として、スピント（Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ）らの提案によるスピント型冷陰極装置が挙げられる。スピント型冷陰極装置においては、モリブデン等からなる微小な円錐状の突起を冷陰極として用いる。ところが、微小な円錐状の突起を、形状の再現性良く作製することが困難であり、製造歩留まりが低い。
【０００４】
特許文献１〜特許文献４に、カーボンナノチューブ等を用いた冷陰極装置が開示されている。これらの冷陰極装置では、支持基板上に形成されたカーボンナノチューブが冷陰極として作用する。また、特許文献１の従来の技術の欄に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）薄膜やダイヤモンド薄膜を支持基板上に堆積させ、この薄膜を冷陰極として用いる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−８６０８０号公報
【特許文献２】特開２００３−８６０７９号公報
【特許文献３】特開平１１−３２９３１２号公報
【特許文献４】特開平１０−１４９７６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
支持基板上にカーボンナノチューブ等を形成した構造では、カーボンナノチューブ等と支持基板との間で充分な密着性が得られない。また、支持基板上に形成されたカソード電極と冷陰極との界面での電圧降下が、電子放出特性の劣化（電流飽和）の原因になる。また、界面に電流が集中することにより、冷陰極の破壊等が生じやすくなる。
【０００６】
本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の課題は、冷陰極と支持基板との密着性が問題にならず良好な電子放出特性を実現可能な冷陰極によって放出された電子線の特性を維持してこの電子線を照射することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段とした。
すなわち、本発明は、表面に凹凸が形成されたグラファイトによって形成される冷陰極と、冷陰極から電子の放出が可能となる所望の電圧を当該冷陰極に対して印加する第１の電源と、冷陰極に対する陽極となり当該冷陰極から放出された電子を誘引し透過する膜と、を有する。
【０００８】
本発明は、電子を照射する電子線源において、表面に凹凸が形成されたグラファイトによって形成される冷陰極を用い、その冷陰極から放出された電子を引き寄せる陽極として電子を透過可能な膜を用いた。
【０００９】
従って、本発明によれば、良好な電子放出特性を有する冷陰極から放出された電子線の特性を維持して照射することができる。
【００１０】
また、本発明は、膜が、少なくともダイヤモンド及びシリコンのいずれかを含む、軽元素を含有する材料によって形成されてもよい。
【００１１】
このようにすることによって、本発明は、膜が低抵抗の材料で形成される。このため、本発明によれば、膜の陽極としての機能を向上することができる。
【００１２】
また、本発明は、膜が、膜厚の異なる複数の領域を有してもよい。
【００１３】
このようにすることによって、本発明は、電子の透過性能を維持しつつ所定の強度を有する膜を提供することができる。
【００１４】
また、本発明は、膜における複数の領域のうち、膜厚の薄い領域において前記電子が透過するようにしてもよい。
【００１５】
また、本発明は、膜における複数の領域が、エッチング処理によって形成されてもよい。
【００１６】
また、本発明は、膜に対して導電層を形成してもよい。
【００１７】
また、本発明は、冷陰極を含む電子が放出される所定の領域を囲繞するように形成され、電子の放出方向に開口部を備える外壁部をさらに有し、膜が開口部に設けられるようにしてもよい。
【００１８】
さらに、本発明は、膜が、開口部における外壁部外方から貼り付けられるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
グラファイトからなる部材の表面に凹凸を形成することにより、冷陰極として用いることが可能になる。この冷陰極の表面の凸部は、本来グラファイト基板と一体であったものであるため、基板と凸部との密着性が問題になることはない。また、両者の間に明確な界面は存在しないため、基板と凸部との接触抵抗に起因する電子放出特性の劣化もない。そして、本発明によれば、冷陰極と支持基板との密着性が問題にならず良好な電子放出特性を実現可能な冷陰極によって放出された電子線の特性を維持して照射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の電子線源の一実施の形態に係る、電子線発生装置、及びこの電子線発生装置で用いる冷陰極並びに薄膜の構成について説明する。
【００２１】
<冷陰極の構成>
本発明の一実施の形態に係る冷陰極の製造方法について説明する。まず、表面が鏡面状のグラファイト製の基板を準備する。この基板の表面を水素プラズマに晒す。この水素プラズマ処理は、例えば、マイクロ波プラズマエッチング装置を用いて行うことができる。
【００２２】
図１（Ａ）に、水素プラズマ処理前のグラファイト基板の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示し、図１（Ｂ）に、水素プラズマ処理後のグラファイト基板の表面のＳＥＭ写真を示す。図１（Ｂ）に示したグラファイト基板は、マイクロ波プラズマエッチング装置を用い、入力ＲＦパワー８００Ｗ、圧力約１３３０Ｐａ（約１０Ｔｏｒｒ）、水素流量８０ｓｃｃｍの条件で３０分間の水素プラズマ処理を行ったものである。
【００２３】
図１（Ａ）に示されるように、水素プラズマ処理前の基板表面は、ほぼ平坦である。水素プラズマ処理を行うと、図１（Ｂ）に示されているように、面内の寸法が約０．５μｍ程度の微細な凹凸が形成される。一つの窪みと、それに隣接する窪みとの境界に尾根状の凸部が形成されていると考えられる。この尾根状の凸部の高さは一定ではなく、うねりをもっていると考えられる。このため、尾根状の凸部に沿って、先の尖った突起部が離散的に分布していると考えられる。
【００２４】
凹凸の形成されたグラファイト基板の表面に電界を発生させると、突起部の先端に電界が集中する。このため、表面が鏡面状である場合に比べて、グラファイト基板から電子が放出されやすいと考えられる。
【００２５】
図２に、グラファイト基板の電子放出特性の測定結果を示す。横軸はグラファイト基板の表面に発生する電界を単位「Ｖ／μｍ」で表し、縦軸は、グラファイト基板から放出された電子による電流を単位「Ａ」で表す。図中の破線は、水素プラズマ処理前のグラファイト基板の測定結果を示し、実線は、水素プラズマ処理後のグラファイト基板の測定結果を示す。
【００２６】
水素プラズマ処理前の、表面が鏡面状のグラファイト基板からは、ほとんど電子が放出されないことがわかる。水素プラズマ処理により表面に凹凸を形成したグラファイト基板からは、表面の電界が１０Ｖ／μｍを超えた領域で電子が放出されていることがわかる。このため、水素プラズマ処理したグラファイト基板は、冷陰極として用いることが可能である。電子放出の閾値は、約１０Ｖ／μｍと考えられる。
【００２７】
本実施例では、表面を水素プラズマに晒すことにより、突起が形成される。このため、支持基板上に多数の突起を成長させるスピント型冷陰極に比べて、製造工程を簡略化することができる。水素プラズマ処理で形成された突起は、本来グラファイト基板と一体であったため、突起と下地との密着性に起因する問題は生じない。また、グラファイト基板自体がカソード電極となるため、突起とカソード電極との接触抵抗に起因する問題も生じない。このように、本実施例による方法により、低価格、長寿命、かつ安定な冷陰極を作製することができる。
【００２８】
水素プラズマ処理は、入力ＲＦパワー１００〜１０００Ｗ、圧力１．３３×１０２〜１．３３×１０４Ｐａ（１〜１００Ｔｏｒｒ）、水素流量５〜１００ｓｃｃｍ、処理時間１〜１００分の範囲内の条件で行ってもよい。この範囲内の条件で水素プラズマ処理を行っても、良好な電子放出特性を得ることができる。また、水素プラズマとグラファイト基板との間に適当な電位差を設けると、表面に形成される凹凸の高低差がより大きくなる場合がある。凹凸の高低差が大きくなると、より良好な電子放出特性を得ることができる。
【００２９】
本実施例では、マイクロ波プラズマエッチング装置を用いて水素プラズマ処理を行ったが、その他のプラズマエッチング装置、例えば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ装置、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置等を用いてもよい。また、グラファイトを化学的にエッチングするためのガスとして、水素以外に、酸素、ＣＦ４等を用いることも可能である。なお、処理条件によっては、化学的なエッチング作用に物理的なスパッタリング作用が共存して、グラファイト基板の表面に凹凸が形成される。
【００３０】
本実施例では、主として化学的なエッチング作用を利用して、グラファイト基板に凹凸を形成したが、主として物理的なスパッタリング作用を利用してもよい。例えば、スパッタリングガスとしてアルゴン（Ａｒ）や窒素（Ｎ２）を用いることができる。また、サンドブラスト等の機械的な表面処理により、グラファイト基板の表面に凹凸を形成してもよい。また、パルスレーザビームをグラファイト基板の表面に照射して損傷を与えることにより、凹凸を形成してもよい。
【００３１】
なお、本実施例において、上述の表面処理を組み合わせてもよい。例えば、機械的な表面処理によって凹凸を形成し、その後化学的なエッチングまたは物理的なスパッタリングを行ってもよい。
【００３２】
また、本実施例において、グラファイト表面に凹凸を形成した後、表面にＣＯ２レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等のレーザビームを照射することにより、電子放出特性を向上させることができるであろう。カーボンナノチューブを用いた冷陰極にレーザビームを照射すると電子放出特性が向上することが報告されている（例えば、J. S. Kim et. al., "Ultraviolet laser treatment of multiwall carbon nanotubes grown at room temperature" Appl. Phys. Lett. 82, 1607 (2003)）。
【００３３】
図３に、本実施例による方法で作製したグラファイト製の冷陰極の電子放出特性を、従来の冷陰極の電子放出特性と比較して示す。横軸は、冷陰極の表面の電界を単位「Ｖ／μｍ」で表し、縦軸は、電子放出に起因する電流を単位「Ａ」で表す。図中の実線ａ、ｂ、及びｃは、それぞれ本実施例による方法で作製したグラファイト製の冷陰極、ＦｅＮｉ合金基板上に熱ＣＶＤで形成したグラファイトナノファイバ（ＧＮＦ）を用いた冷陰極、及びＦｅＮｉ合金基板上にプラズマＣＶＤにより形成したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いた冷陰極の電子放出特性を示す。
【００３４】
図３によれば、実施例による方法で作製したグラファイト製の冷陰極のグラフの傾きが、他の２つの冷陰極のグラフの傾きよりも急峻である。これは、抵抗成分が小さいことを表している。
【００３５】
<電子線発生装置の構成>
図４に、上記冷陰極を用いた、本発明の電子線源の一実施の形態である電子線発生装置１の断面図を示す。電子線発生装置１は、一端が閉じ他端が開放された円筒状のガラスバルブ１０の開放端に、フェースガラス１１が低融点フリットガラスまたは真空用接着剤などの適宜の接着材料により接着され、外壁２が構成されている。
【００３６】
また、フェースガラス１１は、中心部分に開口部１５を有する。開口部１５の外方（外壁２を形成する側）には、開口部１５を覆うように電子線取出し用の薄膜１６が設けられる。この薄膜１６が図のように外方に設けるのは、外壁２の内部の空間は、圧力が１．３３×１０−３Ｐａ（１×１０−５Ｔｏｒｒ）以下になるように真空排気されているため、例えば開口部１５の内方に薄膜１６を設けた場合には、その圧力によって薄膜１６が引き込まれてしまうことを避けるためである。
【００３７】
薄膜１６は、例えばダイヤモンドあるいはシリコンなど、軽元素からなる素材を薄膜化したものを用いる。薄膜１６にこのような素材を用いるのは、冷陰極１２から照射された電子線が透過するためである。
【００３８】
また、薄膜１６は、このような素材を用いることによって、低抵抗(０．０１Ωから０．００１Ω)のもので導電性を有する。そして、薄膜１６は、電気的に接続されて接地されることにより、冷陰極１２に対する陽極としての役割も果たす。
【００３９】
薄膜１６は、上述のように冷陰極１２から放出された電子線を電子線発生装置1の外部へ放出するために、電子を所定の効率で透過することができるようにすることが要求される。また、薄膜１６は、上述のように外壁２内部が真空排気されていることから、その圧力によって破損することがないような所定の強度を有することが要求される。要求されるこのような特性を両立するために、薄膜１６は、電子の透過効率を満たす第１の領域と圧力に対する強度を維持する第２の領域との、膜厚の異なる複数の領域を有している。
【００４０】
図５は、薄膜１６を照射される電子線と向かい合う（冷陰極１２の平面と向かい合う）方向から見た平面図である。また、図６は、薄膜１６の縦断面を示す図である。薄膜１６は、開口部１５の内径D全体を覆うのに十分な大きさ（外径）を有していることが望ましい。薄膜１６は、例えば、所定の区画２０で抜き出したと仮定すると、その区画２０中に膜厚の薄い第１領域２１と膜厚の厚い第２の領域２２とを有している。そして、薄膜１６は、このような第１の領域２１と第２の領域２２とが平面中に適宜の配列で多数設けられている。なお、本実施の形態において、一つの区画２０を１５０μm四方とすると、第１領域は直径７５μmとし区画２０上の残りの領域が第２領域２２となっている。なお、この第1領域２１と第２領域２２との比率は一例であり、適宜定めることができる。
【００４１】
第１領域２１と第２領域２２との膜厚は、例えば第１領域２１が１μmで第２領域２２が５０μmである。この膜厚の数値、及び複数の領域の比率並びにその形状は例示であり、それらは上述のように電子の透過効率を満たしつつ薄膜の強度を維持可能なものであれば適宜設定可能である。そして、このような２つの領域を薄膜１６の表面上に多数配置することによって、上述のような薄膜１６に要求される特性を満たしている。
【００４２】
電子線発生装置１は、電源に接続されたリードピン１７が、ガラスバルブ１０内において、閉じられた側の端部からフェースガラス１１に向かって延伸されている。また、電子線発生装置１は、リードピン１７の先端に、冷陰極１２が配置されている。すなわち、冷陰極１２は、リードピン１７により、ガラスバルブ１０内に支持されている。
【００４３】
冷陰極１２は、上記冷陰極の構成で説明したグラファイト基板であり、その凹凸を付された面がフェースガラス１１（薄膜１６）に対向している。冷陰極１２と薄膜１６に電圧を印加すると、双方間において双方が近づく向きの静電気力が発生する。
【００４４】
リードピン１７は、ガラスバルブ１０の閉じられた端部を貫通して外部まで導出されている。薄膜１６は、不図示の電源及び接地に対して電気的に接続されている。リードピン１７及び配線１８を介して冷陰極１２に所定の電圧が印加され、陽極である薄膜１６に所定の電圧が印加される。
【００４５】
冷陰極１２には、冷陰極１２から電子が放出されるのに充分な大きさの電圧が印加される。薄膜１６には、冷陰極１２に印加される電圧よりも高い電圧が印加される。冷陰極１２から放出された電子が、薄膜１６に近づくにつれて、この薄膜１６に印加されている電圧によって加速される。そして、電子は、薄膜１６に入射する。薄膜１６に入射した電子は、この薄膜１６を貫通し透過して外部に放射される。
【００４６】
以上のような構成を有する電子線発生装置１によれば、電子の透過効率を満たす第１領域と圧力に対する強度を維持する第２領域との、膜厚の異なる複数の領域を有する導電性のある材料からなる薄膜１６を用いることによって、良好な電子放出特性を実現可能な冷陰極によって放出された電子線の特性を維持して照射することができる。
【００４７】
<薄膜の生成方法>
次に、本実施の形態に係る、薄膜１６の生成方法の一例について説明する。
【００４８】
図７は、薄膜１６の生成方法を例示する図である。上述のように、薄膜１６は、電子の透過効率を満たす第１領域と圧力に対する強度を維持する第２領域との、膜厚の異なる複数の領域を有する。そのため、薄膜１６には、これら２つの領域を膜上に生成する必要がある。
【００４９】
まず、薄膜１６の材料として、例えばSi層とSiO２層とが積層した、Si基板を用いる。このような材料のうち、第１領域となりうる部分においては、Si層（（１）の層：膜厚３００〜６００μm）とSiO２層（（２）の層：膜厚１〜２μm）とを取り除き、（３）のSi層のみを残すようにする。
【００５０】
（１）の層を取り除くには、例えば公知のDeep RIE（Reactive Ion Etching）プロセスでC４F８,SF６ガスを利用してエッチングを行う。この方法を用いることで、（１）のSi層のみを除去することができる。その後、（２）のSiO２層を取り除くには、公知の方法によって可能である。すなわち、（２）のSiO２層を取り除くには、ドライプロセスで行うときはCHF３＋Arガスを利用して行い、ウェットプロセスで行うときはBuffered HFを利用して行う。
【００５１】
そうすることで、薄膜１６は、(１)及び（２）の層を取り除いた部分（第１領域）の膜厚が（３）の層のみの１〜２μmとなり、この部分が第１の領域となる。また、第１の領域は、他の部分（第２領域）の膜厚よりも薄いことから電子の透過率が高くなる。このとき、第１領域となる（３）のSi層は、１μmの膜厚であれば、電子線が２０keVで照射されたときには、１２keVの電子線が７０％透過することが明らかとなった。そして、薄膜１６は、第１領域以外の部分については膜厚の厚い第２領域となるため、所定の強度を確保することが可能となる。
【００５２】
なお、以上の薄膜１６として用いた材料、及びその加工方法などは一例であり、低抵抗（０．０１Ω〜０．００１Ω）の薄膜として利用可能な材料で、電子の透過効率を満たす第１領域と圧力に対する強度を維持する第２領域とを形成することが可能なものであれば、他の材料を用いることが可能である。
【００５３】
また、薄膜１６に対して、図７のようにその面上に導電性のある材料（例えばアルミなどの金属材料）による層を何らかの方法によって設けることも可能である。
【００５４】
<変形例>
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等により、様々な装置等の作製が可能なことは当業者に自明であろう。本実施例の変形例としては、例えば以下のものが挙げられる。
【００５５】
図８は、電子線発生装置の第１の変形例を示す図である。この変形例と上述の電子線発生装置１との相違点は、冷陰極１２の凹凸が形成された面に対向するように、グリッド１３が配置されていることにある。
【００５６】
冷陰極１２とグリッド１３との間隔は、０．５〜１ｍｍ程度に設定される。グリッド１３は平面に沿った形状にしてもよいが、冷陰極１２から遠ざかる方向に膨らんだ球面に沿う形状にしてもよい。冷陰極１２(−２０keV)とグリッド１３(−１８keV)とに電圧を印加すると、両者に電位差が生じ両者が近づく向きの静電気力が発生する。また、グリッド１３を球面に沿う形状にすることにより、グリッド１３と冷陰極１２との接触を生じにくくすることができる。
【００５７】
グリッド１３を設けることで、冷陰極１２とグリッド１３との間に、冷陰極１２から電子が放出されるのに充分な大きさの電圧が印加される。薄膜１６には、グリッド１３に印加される電圧よりも高い電圧が印加される。冷陰極１２から放出された電子が、グリッド１３を通過し、薄膜１６に印加されている電圧によって加速され、薄膜１６に入射する。
【００５８】
図９は、電子線発生装置の第２の変形例を示す図である。この変形例と上述の電子線発生装置１との相違点は、外壁２の内部に薄膜１６から電源への電気的接続を行うリードピン１９と配線２０とを行ったことにある。
【００５９】
図１０は、電子線発生装置の第３の変形例を示す図である。この変形例は、上記第１の変形例と第２の変形例とを組合せたように構成したことが特徴である。
【００６０】
また、電子線発生装置１において、冷陰極１２は平板上であるが、本発明ではこれに限定されず、例えば針状や棒状のものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の冷陰極は、放射線発生装置や照明装置の電子ビーム源として使用することができる。また、本発明の電子線源は、電子線殺菌装置、排ガス測定装置、環境汚染測定装置、大気汚染測定装置、電子線樹脂硬化装置等の電子線光源に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１（Ａ）】水素プラズマ処理前のグラファイト基板のＳＥＭ写真である。
【図１（Ｂ）】実施例による方法で水素プラズマ処理を行ったグラファイト基板のＳＥＭ写真である。
【図２】水素プラズマ処理前後のグラファイト基板の電子放出特性を示すグラフである。
【図３】実施例による方法で作製したグラファイト製の冷陰極、従来のカーボンナノチューブおよびグラファイトナノファイバを使用した冷陰極の電子放出特性を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施の形態に係る電子線発生装置の断面図である。
【図５】薄膜の正面図である。
【図６】薄膜の断面図である。
【図７】薄膜の生成方法を図示する断面図である。
【図８】第１の変形例による電子線発生装置の断面図である。
【図９】第２の変形例による電子線発生装置の断面図である。
【図１０】第３の変形例による電子線発生装置の断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１ 電子線発生装置
２ 外壁
１０ ガラスバルブ
１１ フェースガラス
１２ 冷陰極
１３ グリッド
１５ 開口部
１６ 薄膜
１７ リードピン
１８ 配線
１９ リードピン
２０ 区画
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹凸が形成されたグラファイトによって形成される冷陰極と、
前記冷陰極から電子の放出が可能となる所望の電圧を当該冷陰極に対して印加する第１の電源と、
前記冷陰極に対する陽極となり当該冷陰極から放出された電子を誘引し透過する膜と、を有する電子線源。
【請求項２】
前記膜が、
少なくともダイヤモンド及びシリコンのいずれかを含む、軽元素を含有する材料によって形成される、請求項１に記載の電子線源。
【請求項３】
前記膜が、
膜厚の異なる複数の領域を有する、請求項１に記載の電子線源。
【請求項４】
前記膜における複数の領域のうち、膜厚の薄い領域において前記電子が透過する、請求項３に記載の電子線源。
【請求項５】
前記膜における複数の領域が、
エッチング処理によって形成される、請求項３に記載の電子線源。
【請求項６】
前記膜に対して導電層を形成する、請求項１に記載の電子線源。
【請求項７】
前記冷陰極を含む前記電子が放出される所定の領域を囲繞するように形成され、前記電子の放出方向に開口部を備える外壁部をさらに有し、
前記膜が、前記開口部に設けられる、請求項１に記載の電子線源。
【請求項８】
前記膜が、
前記開口部における外壁部外方から貼り付けられる、請求項７に記載の電子線源。
【請求項１】
表面に凹凸が形成されたグラファイトによって形成される冷陰極と、
前記冷陰極から電子の放出が可能となる所望の電圧を当該冷陰極に対して印加する第１の電源と、
前記冷陰極に対する陽極となり当該冷陰極から放出された電子を誘引し透過する膜と、を有する電子線源。
【請求項２】
前記膜が、
少なくともダイヤモンド及びシリコンのいずれかを含む、軽元素を含有する材料によって形成される、請求項１に記載の電子線源。
【請求項３】
前記膜が、
膜厚の異なる複数の領域を有する、請求項１に記載の電子線源。
【請求項４】
前記膜における複数の領域のうち、膜厚の薄い領域において前記電子が透過する、請求項３に記載の電子線源。
【請求項５】
前記膜における複数の領域が、
エッチング処理によって形成される、請求項３に記載の電子線源。
【請求項６】
前記膜に対して導電層を形成する、請求項１に記載の電子線源。
【請求項７】
前記冷陰極を含む前記電子が放出される所定の領域を囲繞するように形成され、前記電子の放出方向に開口部を備える外壁部をさらに有し、
前記膜が、前記開口部に設けられる、請求項１に記載の電子線源。
【請求項８】
前記膜が、
前記開口部における外壁部外方から貼り付けられる、請求項７に記載の電子線源。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１（Ａ）】
【図１（Ｂ）】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１（Ａ）】
【図１（Ｂ）】
【公開番号】特開２００６−２１０１６２（Ｐ２００６−２１０１６２Ａ）
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２１００２（Ｐ２００５−２１００２）
【出願日】平成１７年１月２８日（２００５．１．２８）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２８日（２００５．１．２８）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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