電界放出型電子源装置
【課題】ターゲットに到達する電子ビームの不足による低コントラストな表示画像や残像の多い撮像画像という問題を克服した電界放出型電子源装置を提供する。
【解決手段】電界放出型電子源アレイ１０から放出された電子ビームは補助電極８に形成された複数の貫通孔を通過してターゲット３に到達する。補助電極８の複数の貫通孔のそれぞれは、電界放出型電子源アレイ側の開口と、開口から連続した電子ビーム通過行路とを有する。電子ビーム通過行路の少なくとも一部に入射した電子ビームを増倍させる電子増倍層が設けられている。補助電極８のターゲット３側には、２次電子放出係数が小さい材料からなる電子吸収層が設けられている。
【解決手段】電界放出型電子源アレイ１０から放出された電子ビームは補助電極８に形成された複数の貫通孔を通過してターゲット３に到達する。補助電極８の複数の貫通孔のそれぞれは、電界放出型電子源アレイ側の開口と、開口から連続した電子ビーム通過行路とを有する。電子ビーム通過行路の少なくとも一部に入射した電子ビームを増倍させる電子増倍層が設けられている。補助電極８のターゲット３側には、２次電子放出係数が小さい材料からなる電子吸収層が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体微細加工技術の進展により、半導体などの基板にミクロンオーダーの微細な冷陰極構造を多数集積化する真空マイクロエレクトロニクス技術が注目を集めている。これらの技術によって得られる微小冷陰極構造を備えた電界放出型電子源アレイは、平面型の電子放出特性や高い電流密度が期待できること、熱陰極とは異なりヒーター等の熱源を必要としないこと等から、低消費電力型の次世代フラットディスプレイ用電子源、センサ、平面型撮像装置用電子源として期待が集まっている。
【０００３】
このような電界放出型電子源アレイを用いた真空装置としては特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４に示される電界放出型電子源表示装置や、特許文献５等に示される電界放出型電子源撮像装置や、特許文献６に示される発光素子等が知られている。
【０００４】
一般的にこのような電界放出型電子源アレイを用いた電界放出型電子源装置は、図２１に示す様に、前面パネル１０１と、背面パネル１０５と、側面外周器１０４とを備え、これらはフリットガラスやインジウム等の封着材料１０９により固着固定され、その内部が真空に保持されている。
【０００５】
前面パネル１０１の内面には、例えば外部からの入射光を透過する陽極電極１０２が形成され、その表面にターゲット１０３が形成されている。一般にターゲット１０３は、電界放出型電子源表示装置として使用される場合には３色に発光する蛍光体が規則正しく配列された蛍光体層であり、電界放出型電子源撮像装置として使用される場合には入射光を信号電荷に変換する光電変換膜である。
【０００６】
背面パネル１０５の内面には、複数の冷陰極素子（エミッタ）１０７と、各冷陰極素子１０７の周辺に形成された絶縁層及び冷陰極素子１０７から電子を取り出す為の電圧を印加するゲート電極等からなる周辺素子１０８とが集積一体化された電界放出型電子源アレイが形成された半導体基板１０６が設置されている。冷陰極素子１０７から放出された電子ビームをターゲット１０３にランディングさせることにより、電界放出型電子源表示装置では蛍光体を発光させて画像を映し出し、電界放出型電子源撮像装置では光電変換膜上に入射光として結像した画像を読み取ることができる。
【０００７】
電界放出型電子源としては、一般的に、半導体基板上に、先端が先鋭な冷陰極素子を形成し、その周りに絶縁層及びこの絶縁層上にゲート電極を形成して、冷陰極素子とゲート電極との間に電圧を印加して冷陰極素子の先端から電子放出を行なうスピント（Spindt）型を代表例として挙げることができる。その他には、カソード電極とゲート電極との間に絶縁層を形成し、絶縁層に電圧を印加してトンネル効果により電子放出を行なうＭＩＭ（Metal Insulator Metal）型、カソード電極とエミッタ電極との間に微小ギャップを設け、これら電極間に電圧を印加して微小ギャップから電子放出を行なうＳＣＥ（Surface Conduction Electron Source）型、あるいは電子源にＤＬＣ（Diamond Like Carbon）やＣＮＴ（Carbon Nanotube）等の炭素系材料を用いた電界放出型電子源を例として挙げることができる。
【０００８】
このような冷陰極を含む電界放出型電子源は、個々の冷陰極素子からの電子放出量が微量であることから、電界放出型電子源表示装置として使用する場合や、電界放出型電子源撮像装置として使用する場合には、複数の電界放出型電子源を一単位とするセル（電子源セル）を形成し、所定の動作を行うのに必要な電流量を確保している。
【０００９】
このセルは平面上に、例えばマトリクス状に配置される。詳細には、縦方向に延びた複数のエミッタラインが横方向に等ピッチで配置され、横方向に延びた複数のゲートラインが縦方向に等ピッチで配置され、これら複数のエミッタラインと複数のゲートラインとが交差する各位置にセルが配置される。電界放出型電子源装置の駆動時には、エミッタライン及びゲートラインを順次選択していくことにより、選択されたエミッタラインとゲートラインとが交差する位置のセルから電子ビームが順次放出される。本明細書では、このようにして電子ビームを放出するセルを、以下「指定セル」と呼ぶ。以上により、電界放出型電子源表示装置においては画像を映し出すことができ、電界放出型電子源撮像装置においては結像された画像を読み出すことができる。
【００１０】
電界放出型電子源では、冷陰極素子とゲート電極との間に形成される強電界により電子を電界放出するので、個々の冷陰極素子から電子は所定の広がり（この広がり角度を「発散角」といい、例えばスピント型電界放出型電子源の場合３０度程度である）をもって放出される。
【００１１】
このような電界放出型電子源を用いる真空装置においては、図２１で示した様に、電界放出型電子源アレイを真空容器の背面パネル１０５上に設置し、電界放出型電子源アレイからの電子ビームをランディングさせて所定の動作を行なうターゲット１０３を前面パネル１０１上に形成するのが一般的である。ここで、電界放出型電子源アレイからターゲット１０３までの距離は、それらが設けられた背面パネル１０５と前面パネル１０１との距離によって一意的に決定される。
【００１２】
即ち、このような従来の電界放出型電子源装置においては、背面パネル１０５上に設置された電界放出型電子源アレイと前面パネル１０１上に形成されたターゲット１０３との距離は、前面パネル１０１及び背面パネル１０５と側面外周器１０４との接合部分の精度によって、理想的な設計距離に対して大きく変化する。
【００１３】
例えば、前面パネル１０１及び背面パネル１０５と側面外周器１０４との接合がフリットガラスを用いて行われる場合には、フリットガラスの供給量のバラツキや、４００℃程度で焼成し溶着させる過程で発生するシュリンクなどが、背面パネル１０５上に設置された電界放出型電子源アレイと前面パネル１０１上に形成されたターゲット１０３との距離のバラツキを生じさせる。
【００１４】
また、前面パネル１０１及び背面パネル１０５と側面外周器１０４との接合がインジウムのような柔らかい金属を用いた低温封着にて行なわれる場合には、封着の際にインジウムを前面パネル１０１と側面外周器１０４との間、及び側面外周器１０４と背面パネル１０５との間で潰すために、インジウムの供給量やつぶし量のバラツキが、背面パネル１０５上に設置された電界放出型電子源アレイと前面パネル１０１上に形成されたターゲット１０３との距離のバラツキを生じさせる。
【００１５】
電界放出型電子源アレイとターゲット１０３との間の距離のバラツキは数百ミクロン〜数ミリの程度になる。
【００１６】
このように、従来の電界放出型電子源装置においては、背面パネル１０５上に設置された電界放出型電子源アレイと前面パネル１０１上に形成されたターゲット１０３との距離を高精度に管理することは困難である。そして、個々の冷陰極素子からは３０度程度の発散角で電子が放出される。従って、電界放出型電子源アレイとターゲット１０３との距離のバラツキは、電子ビームがターゲット１０３上に形成する電子ビームスポットの拡がり具合
（即ち、スポット径）のバラツキを生じさせる。これは均一な画像が求められる電界放出型電子源表示装置及び電界放出型電子源撮像装置にとって非常に不都合な問題である。
【００１７】
また、高精細な電界放出型電子源表示装置や高精細な電界放出型電子源撮像装置を実現するためには、電界放出型電子源アレイ上のセルのサイズを十分小さくする必要がある。この場合には、電界放出型電子源アレイとターゲット１０３との距離も十分に小さくする必要があり、更にその誤差を例えば数十ミクロン程度以下に管理する必要がある。ところが、従来の電界放出型電子源装置では、電界放出型電子源アレイとターゲット１０３との距離に数百ミクロン〜数ミリ程度のバラツキを有する可能性があるから、高精細な電界放出型電子源表示装置や高精細な電界放出型電子源撮像装置を実現することは困難である。
【００１８】
また、従来の電界放出型電子源装置においては、真空容器内を真空にした場合、前面パネル１０１が外気圧によって加圧されて湾曲する。前面パネル１０１の内面にはターゲット１０３が形成されているので、前面パネル１０１の湾曲により、電界放出型電子源アレイからの距離がターゲット１０３の中央部と周辺部とで異なることになり、この結果、ターゲット１０３上に形成される電子ビームスポット径がターゲット１０３の中央部と周辺部とで異なることになる。
【００１９】
この結果、電界放出型電子源表示装置として使用する場合には画面中央と画面周辺とで表示される画質の差が発生し、電界放出型電子源撮像装置として使用する場合には画面中央と画面周辺とで撮像される画質に差が発生する。
【００２０】
図２１とは異なり、電界放出型電子源アレイとターゲットとの間にシールドグリッド電極を設けた電界放出型電子源アレイを用いた真空装置が特許文献１及び特許文献５に示されている。
【００２１】
図２２に特許文献５に示された、電界放出型電子源撮像装置として使用される電界放出型電子源装置の断面図を示す。
【００２２】
真空容器１１８は、透光性の前面パネル１１５と、背面パネル１１７と、メッシュ状のシールドグリッド電極１２０を保持するスペーサー部を兼用した側面外周器１１６とを備え、これらはフリットガラスからなる封着材料１３３及びインジウムからなる封着材料１１９により固着固定され、その内部が真空に保持されている。
【００２３】
前面パネル１１５の内面には、外部からの入射光１１１を透過する陽極電極１１３と、その表面に形成された光電変換膜１１２とからなる光電変換ターゲット１１４が形成されている。
【００２４】
背面パネル１１７の内面には、冷陰極素子１２４と、冷陰極素子１２４に電位を供給する陰極導体１２５と、冷陰極素子１２４の周囲を囲むように陰極導体１２５上に形成された絶縁層１２６と、絶縁層１２６上に冷陰極素子１２４の周囲を囲むように配置されたゲート電極１２８とからなる電界放出型電子源アレイ１２９が形成されている。
【００２５】
光電変換ターゲット１１４と電界放出型電子源アレイ１２９との間に、シールドグリッド電極１２０が配置されている。シールドグリッド電極１２０には、ゲート電極１２８に印加される電圧よりも高い電圧が印加されている。
【００２６】
シールドグリッド電極１２０は複数の貫通孔１２０ａを備える。
【００２７】
冷陰極素子１２４の先端からは、約３０度の発散角で電子ビームが放出される。この電子ビームのうち、ほぼ真上に向かって放出された電子ビームのみがシールドグリッド電極１２０のこの冷陰極素子１２４に対応する貫通孔１２０ａを通過して光電変換ターゲット１１４に到達し、これ以外の斜めに向かって放出された電子ビームはシールドグリッド電極１２０に吸収されてしまう。
【００２８】
特許文献５には、このようにして光電変換ターゲット１１４に到達する電子ビームの拡がりを小さくすることができるとされている。
【００２９】
しかしながら、この電界放出型電子源装置は以下の問題を有する。
【００３０】
即ち、シールドグリッド電極１２０に、電界放出型電子源アレイ１２９のゲート電極１２８に印加されるゲート電圧よりも高い電圧が印加されることにより、電界放出型電子源アレイ１２９からの電子ビームは加速されて光電変換ターゲット１１４へ導かれる。しかし、電界放出型電子源アレイ１２９からの電子ビームのほとんどはシールドグリッド電極１２０に衝突し吸収されてしまい、光電変換ターゲット１１４へ到達する電子ビームは極めて微量である。
【００３１】
光電変換ターゲット１１４へ到達する電子ビームの量が少ないと、ターゲットに蛍光体を備えた電界放出型電子源表示装置においては画像の輝度が不足しコントラストが低くなってしまい、ターゲットに光電変換膜を備えた電界放出型電子源撮像装置においては光電変換膜に蓄積された正孔の一部を読み出すことができないために撮像画像に残像が多くなってしまう。
【００３２】
この問題を克服するために電界放出型電子源アレイとターゲットとの間に、多数の貫通孔が形成され、且つ電子増倍機能を有するメッシュ状構造体を配置した電界放出型電子源装置が特許文献１（図２３参照）及び特許文献７（図２４参照）に開示されている。
【００３３】
このような電界放出型電子源装置では、電界放出型電子源アレイから放射された電子ビームのほとんどは、電子増倍機能を有するメッシュ状構造体に衝突する。この衝突によって、２次電子放出が起こり、電子が増倍される。増倍された電子はメッシュ状構造体の貫通孔を通過してターゲットに導かれる。従って、ターゲットに到達する電子ビーム量を十分に確保することができる。
【００３４】
しかしながら、これらの従来の電界放出型電子源装置は以下のような問題を有している。
【００３５】
特許文献１（図２３参照）の電界放出型電子源装置では、メッシュ状構造体２１０の全外周面、即ち、電界放出型電子源アレイ２００に対向した面、ターゲット２２０に対向した面、及びメッシュ状構造体２１０に形成された貫通孔２１１の内周壁面に、２次電子増倍機能を有する材料が付与されている。従って、例えば、電界放出型電子源アレイ２００からの電子ビームがメッシュ状構造体２１０の貫通孔２１１を通過する際に貫通孔２１１の内周壁面に衝突して発生した２次電子が、ターゲット２２０へ到達せずにターゲット２２０に対向した面に衝突すると更に２次電子が放出される。
【００３６】
放出されたこの電子の進行方向はまちまちであり、その多くはターゲット２２０の所望の位置に到達しない。従って、例えば３色の蛍光体が交互に塗布されたターゲット２２０を備えた電界放出型電子源表示装置においては、電子が所望する蛍光体以外の蛍光体に到達することによって色純度が劣化するという問題が発生する。
【００３７】
特許文献７（図２４参照）の電界放出型電子源装置では、電子増倍機能を有するメッシュ状構造体３１０とターゲット３２０が設けられた前面パネル３２１との間に絶縁材料からなる仕切板３１５が設けられている。従って、メッシュ状構造体３１０に形成された複数の貫通孔３１１をそれぞれ通過した電子ビームは、互いに混じり合うことなく、ターゲット３２０上の所望する位置に到達する。従って、上記図２３の電界放出型電子源装置が有する上記の問題は発生しない。
【００３８】
しかし、図２４の電界放出型電子源装置では、電界放出型電子源アレイ３００に設けられた複数のセルと、メッシュ状構造体３１０に形成された複数の貫通孔３１１と、ターゲット３２０上の複数の画素とが、一対一に対応する。従って、隣り合う画素間に、メッシュ状構造体３１０とターゲット３２０とを繋ぐように仕切板３１５を形成する必要があり、その製作は非常に複雑で高コストである。
【００３９】
また、仕切板３１５が絶縁材料からなるので、メッシュ状構造体３１０の貫通孔３１１を通過した電子ビームが仕切板３１５に衝突すると、仕切板３１５の電位が不安定になり、その結果、耐電圧特性が劣化するという問題がある。
【００４０】
このように、電子増倍機能を有する構造体を配置した従来の電界放出型電子源装置は種々の問題を有しており、実用化のためには更なる改良が必要である。
【特許文献１】特開平９−２７０２２９号公報
【特許文献２】特開平９−６９３４７号公報
【特許文献３】特開平６−１１１７３５号公報
【特許文献４】特開２０００−２５１８０８号公報
【特許文献５】特開２０００−４８７４３号公報
【特許文献６】特開２００２−３１３２６３号公報
【特許文献７】特開２００４−２２７８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４１】
本発明は上記の従来の電界放出型電子源装置が有する問題を解決することを目的とする。
【００４２】
即ち、本発明は、ターゲットに到達する電子ビームの不足による低コントラストな表示画像や残像の多い撮像画像という問題を克服した電界放出型電子源装置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】
【００４３】
本発明の電界放出型電子源装置は、電界放出型電子源アレイと、前記電界放出型電子源アレイから放出された電子ビームにより所定の動作を行なうターゲットと、前記電界放出型電子源アレイと前記ターゲットとの間に配置され、前記電界放出型電子源アレイから放出された前記電子ビームが通過する複数の貫通孔が形成された補助電極とを有する。
【００４４】
前記複数の貫通孔のそれぞれは、前記電界放出型電子源アレイ側の開口と、前記開口から連続した電子ビーム通過行路とを有する。
【００４５】
前記電子ビーム通過行路の少なくとも一部に、入射した電子ビームを増倍させる電子増倍層が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、ターゲットに到達する電子ビームの不足による低コントラストな表示画像や残像の多い撮像画像という問題を克服した電界放出型電子源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
本発明の第１の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置は、電界放出型電子源アレイと、前記電界放出型電子源アレイから放出された電子ビームにより所定の動作を行なうターゲットと、前記電界放出型電子源アレイと前記ターゲットとの間に配置され、前記電界放出型電子源アレイから放出された前記電子ビームが通過する複数の貫通孔が形成された補助電極とを有する。前記複数の貫通孔のそれぞれは、前記電界放出型電子源アレイ側の開口と、前記開口から連続した電子ビーム通過行路とを有する。前記電子ビーム通過行路の少なくとも一部に、入射した電子ビームを増倍させる電子増倍層が設けられている。前記補助電極の前記ターゲット側には、２次電子放出係数が小さい材料からなる電子吸収層が設けられている。
【００４８】
かかる第１の好ましい形態では、補助電極の複数の貫通孔の電子ビーム通過行路の少なくとも一部に、入射した電子ビームを増倍させる電子増倍層が設けられている。従って、電界放出型電子源アレイから放出され補助電極に入射した電子ビームは、電子ビーム通過行路の少なくとも一部（例えば、電子ビーム通過行路の中央部分、後半部分、又は全体）に設けられた電子増倍層により２次電子を発生させることにより増倍され、補助電極から出射してターゲットに到達する。
【００４９】
これにより、電界放出型電子源表示装置においては、例えばターゲットに備えられた蛍光体の発光強度を増加させることができるので、コントラストを向上することができる。また、電界放出型電子源撮像装置においては、例えばターゲットに備えられた光電変換膜に到達する電子ビーム量が増加するので、残像を少なくすることができる。
【００５０】
また、補助電極のターゲット側には、２次電子放出係数が小さい材料からなる電子吸収層が設けられているので、ターゲットへ到達せずに補助電極へ戻ってきた電子は電子吸収層により捕獲される。従って、更に余分な２次電子が発生することはなく、余分な電子がターゲットの所望する位置以外に到達することもない。従って、電界放出型電子源表示装置においては電子が所望する蛍光体以外の蛍光体に到達することによって色純度が劣化することがなく、電界放出型電子源撮像装置においては解像度が劣化することがない。また、図２４に示した従来の電界放出型電子源装置のように、補助電極とターゲットとの間に仕切板を設ける必要がない。よって、仕切板の複雑な製作工程が不要となり、コスト上昇を抑えることができる。また、仕切板の電位が不安定になり、その結果、耐電圧特性が劣化するという問題も発生せず、信頼性が向上する。
【００５１】
また、ターゲットに到達する電子ビーム量を増大させる必要がない場合には、電界放出型電子源アレイから放出される電子ビーム量を少なくすることができるので、電界放出型電子源アレイのエミッタ電位とゲート電位との電圧差を小さくすることができる。これにより、耐電圧特性が向上し、信頼性の高い電界放出型電子源装置を提供することができる。
【００５２】
本発明の第２の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第１の好ましい形態において、前記電子ビーム通過行路の、前記電子増倍層に対して前記電界放出型電子源アレイ側の少なくとも一部に、所定の速度ベクトルを有する電子ビームのみを選択的に前記電子ビーム通過行路の側壁で吸収し除去するトリミング層が更に設けられている。
【００５３】
かかる第２の好ましい形態によれば、電子増倍層に入射する電子ビームの広がりを小さくすることができる。
【００５４】
即ち、電界放出型電子源アレイの指定セルから放出された電子ビームは、所定の広がりを持っている。従って、電子ビームは、この指定セルの真上に位置する補助電極の貫通孔のみならず、この貫通孔の近傍（即ち、この指定セルの斜め上方）に位置する補助電極の貫通孔にも入射する。従って、電子ビーム通過行路の、特に電界放出型電子源アレイに近い領域に電子増倍層が設けられていると、指定セルの斜め上方に位置する貫通孔内においても電子増倍されて、これらの貫通孔からも多数の電子ビームがターゲットに向かって出射されることになる。これにより、ターゲット上に大きな電子ビームスポットが形成されてしまう。この結果、電界放出型電子源表示装置や電界放出型電子源撮像装置の解像度が著しく劣化してしまう。
【００５５】
本発明の第２の好ましい形態では、電子ビーム通過行路の、電子増倍層の前段（即ち、電界放出型電子源アレイ側）にトリミング層が更に設けられているので、電子ビームが電子増倍層に到達する前に、電子ビーム通過行路の延設方向と異なる方向に進行する電子ビームをトリミング層で吸収除去することができる。この結果、指定セルの真上に位置する補助電極の貫通孔から出射する電子ビーム量を電子増倍層の作用によって増倍させながら、指定セルの斜め上方に位置する補助電極の貫通孔から出射する電子ビーム量をトリミング層の作用によって抑制することで、大きな電流値を有する電子ビームをターゲットに導き、ターゲット上に小さな電子ビームスポットを形成することができる。
【００５６】
本発明の第３の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第２の好ましい形態において、前記電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、前記トリミング層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向が傾斜している。
【００５７】
かかる第３の好ましい形態によれば、より効果的に電子増倍を行なうことができる。
【００５８】
即ち、電子増倍層により２次電子増倍を行なうためには電子ビームを電子増倍層の側壁に効率良く衝突させる必要があり、そのためには電子ビームの進行方向を表す速度ベクトルに対して、電子増倍層の側壁が傾斜していることが好ましい。
【００５９】
第３の好ましい形態では、電子増倍層が設けられた電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、トリミング層が設けられた電子ビーム通過行路の部分の延設方向が傾斜しているので、トリミング層を吸収除去されずに通過した電子ビームをほぼ確実に、トリミング層の後段に配された電子増倍層の側壁に衝突させることができる。従って、効率よく電子増倍がなされる。
【００６０】
これにより、電界放出型電子源表示装置においては、例えばターゲットに備えられた蛍光体の発光強度をより増加させることができるので、コントラストを一層向上することができる。また、電界放出型電子源撮像装置においては、例えばターゲットに備えられた光電変換膜に到達する電子ビーム量がより増加するので、残像を一層少なくすることができる。
【００６１】
また、ターゲットに到達する電子ビーム量を増大させる必要がない場合には、電界放出型電子源アレイから放出される電子ビーム量をより少なくすることができるので、電界放出型電子源アレイのエミッタ電位とゲート電位との電圧差をより小さくすることができる。これにより、耐電圧特性が一層向上し、信頼性の一層高い電界放出型電子源装置を提供することができる。
【００６２】
本発明の第４の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第１の好ましい形態において、前記電子増倍層が、前記電子ビーム通過行路の互いに異なる領域に設けられた第１電子増倍層及び第２電子増倍層を少なくとも含み、前記第１電子増倍層と前記第２電子増倍層とは２次電子増倍係数が互いに異なる材料からなる。
【００６３】
かかる第４の好ましい形態によれば、特定方向に進行する電子ビームのみを選択するトリミング作用と電子増倍作用とを適宜組み合わせることにより、ターゲットに到達する電子ビームの拡がり及び電流量の設定が容易になる。
【００６４】
一般に、電子増倍層の２次電子放出作用は、電子増倍層の面に対する電子の入射角（電子増倍層の面の法線に対する角度）が大きいほど大きく、入射角が小さいほど小さい。
【００６５】
従って、例えば、電子ビーム通過行路において、２次電子増倍係数が小さな第１電子増倍層を電界放出型電子源アレイに近い領域に配置し、２次電子増倍係数が第１電子増倍層より大きな第２電子増倍層を第１電子増倍層よりターゲットに近い領域に配置する。これにより、電子ビームの電流値を比較的大きくすることができ、且つ、ターゲットでの電子ビームのスポット径を小さくすることができる。
【００６６】
即ち、電界放出型電子源アレイの指定セルから所定の広がりを持って放出された電子ビームは、この指定セルの真上に位置する補助電極の貫通孔のみならず、この貫通孔の近傍（即ち、この指定セルの斜め上方）に位置する補助電極の貫通孔にも入射する。
【００６７】
指定セルの真上に位置する補助電極の貫通孔に入射した電子ビームの電子ビーム通過行路の側壁に対する入射角は、貫通孔の入射側開口の近傍の領域において相対的に大きい。この領域に２次電子増倍係数が相対的に小さな第１電子増倍層が配されていても、電子ビームの入射角が大きいので、多くの２次電子放出が行われ、電子ビーム量が増大する。この電子ビームは電子ビーム通過行路に沿って進行し、第１電子増倍層よりもターゲット側に配された、２次電子増倍係数が相対的に大きな第２電子増倍層の側壁に入射する。このとき、電子ビームの第２電子増倍層の側壁に対する入射角は小さいので、第２電子増倍層が大きな２次電子増倍係数を有することと相俟って、次々に極めて大きな２次電子放出が行われ、電子ビーム量が飛躍的に増大する。
【００６８】
一方、指定セルの斜め上方に位置する補助電極の貫通孔に入射した電子ビームの電子ビーム通過行路の側壁に対する入射角は、貫通孔の入射側開口の近傍の領域において相対的に小さい。従って、この領域に２次電子増倍係数が相対的に小さな第１電子増倍層が配されていることと相俟って、２次電子放出はほとんど行われず、電子ビーム量はほとんど変化しない。この電子ビームは電子ビーム通過行路に沿って進行し、第１電子増倍層よりもターゲット側に配された、２次電子増倍係数が相対的に大きな第２電子増倍層の側壁に入射する。このとき、電子ビームの第２電子増倍層の側壁に対する入射角は小さいが、側壁に入射する電子ビーム量が少ないために電子ビーム量の増加も少ない。
【００６９】
このようにして、指定セルの真上に位置する補助電極の貫通孔から出射する電子ビーム量のみを増倍させることができる。この結果、大きな電流値を有する電子ビームをターゲットに導き、ターゲット上に小さな電子ビームスポットを形成することができる。
【００７０】
上記とは逆に、電子ビーム通過行路において、２次電子増倍係数が大きな第２電子増倍層を電界放出型電子源アレイに近い領域に配置し、２次電子増倍係数が第２電子増倍層より小さな第１電子増倍層を第２電子増倍層よりターゲットに近い領域に配置しても良い。これにより、小さな指定セルから所定の広がりを持って放出された電子ビームを補助電極の複数の貫通孔からそれぞれ出射させて、ターゲット上に大きな電子ビームスポットを形成することができる。しかも、補助電極の複数の貫通孔からそれぞれ出射した電子ビームの進行方向は鉛直方向にほぼ揃えられており、且つ、全体として大きな電流値を有する電子ビームをターゲットに導くことができる。この電界放出型電子源装置は、電界放出型電子源表示装置及び電界放出型電子源撮像装置以外の用途にも利用することが可能である。
【００７１】
本発明の第５の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第１の好ましい形態において、前記電子増倍層が、前記電子ビーム通過行路の互いに異なる領域に設けられた第１電子増倍層及び第２電子増倍層を少なくとも含み、前記第１電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、前記第２電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向が傾斜している。
【００７２】
かかる第５の好ましい形態によれば、より効果的に電子増倍を行なうことができる。
【００７３】
即ち、電子増倍層により２次電子増倍を行なうためには電子ビームを電子増倍層の側壁に効率良く衝突させる必要があり、そのためには電子ビームの進行方向を表す速度ベクトルに対して、電子増倍層の側壁が傾斜していることが好ましい。
【００７４】
第５の好ましい形態では、第１電子増倍層が設けられた電子ビーム通過行路の部分に対して、第２電子増倍層が設けられた電子ビーム通過行路の部分が傾斜しているので、補助電極の貫通孔に入射した電子ビームは、第１電子増倍層の側壁に衝突して２次電子放出により電子ビーム量が増大し、次いで、第１電子増倍層の側壁に対して傾斜した第２電子増倍層の側壁に衝突して２次電子放出により電子ビーム量が爆発的に増大する。従って、効率よく電子増倍がなされる。
【００７５】
これにより、電界放出型電子源表示装置においては、例えばターゲットに備えられた蛍光体の発光強度をより増加させることができるので、コントラストを一層向上することができる。また、電界放出型電子源撮像装置においては、例えばターゲットに備えられた光電変換膜に到達する電子ビーム量がより増加するので、残像を一層少なくすることができる。
【００７６】
また、ターゲットに到達する電子ビーム量を増大させる必要がない場合には、電界放出型電子源アレイから放出される電子ビーム量をより少なくすることができるので、電界放出型電子源アレイのエミッタ電位とゲート電位との電圧差をより小さくすることができる。これにより、耐電圧特性が一層向上し、信頼性の一層高い電界放出型電子源装置を提供することができる。
【００７７】
本発明の第６の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第２の好ましい形態において、前記電子ビーム通過行路の、前記電子増倍層に対して前記ターゲット側の少なくとも一部に、所定の速度ベクトルを有する電子ビームのみを選択的に吸収し除去する第２トリミング層が更に設けられている。前記電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、前記第２トリミング層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向が傾斜している。
【００７８】
かかる第６の好ましい形態によれば、電界放出型電子源アレイから放出され貫通孔に入射した電子ビームが電界放出型電子源アレイ側に配された第１トリミング層を通過する際に、その進行方向が第１トリミング層が設けられた電子ビーム通過行路の部分の延設方向と異なる電子ビームが第１トリミング層の側壁に入射して吸収除去される。
【００７９】
吸収除去されなかった電子ビームは、次に、第１トリミング層に対してターゲット側に配された電子増倍層を通過する。電子増倍層が設けられた電子ビーム通過行路の部分の延設方向は、第１トリミング層が設けられた電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、傾斜しているので、電子ビームは電子増倍層の側壁に効率よく衝突して２次電子放出が起こり、電子ビーム量が増大する。
【００８０】
次に、電子増倍作用を受けた電子ビームは、電子増倍層に対してターゲット側に配された第２トリミング層を通過する。電子ビームのうち、その進行方向が第２トリミング層が設けられた電子ビーム通過行路の部分の延設方向と異なる電子ビームは第２トリミング層の側壁に入射して吸収除去される。
【００８１】
かくして、その進行方法が第２トリミング層が設けられた電子ビーム通過行路の部分の延設方向とほぼ平行である電子ビームのみが補助電極の貫通孔から出射する。即ち、その進行方向が揃えられた電子ビームが、広がりをほとんど持たないでターゲットに向かって補助電極から出射される。しかも、電子増倍層の作用により、電子ビームは大きな電流値を有している。
【００８２】
このように、第６の好ましい形態によれば、大きな電流値を有する電子ビームをターゲットに導き、ターゲット上に小さな電子ビームスポットを形成することができる。これにより、高解像度で高輝度の電界放出型電子源表示装置や、高解像度で残像の少ない電界放出型電子源撮像装置を提供することができる。
【００８３】
本発明の第７の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第１の好ましい形態において、前記補助電極と前記ターゲットとの間に、前記補助電極と前記ターゲットとの間の電圧差を緩和する第２補助電極を更に有する。
【００８４】
かかる第７の好ましい形態によれば、補助電極とターゲットとの間の耐電圧特性を向上させることができる。
【００８５】
即ち、補助電極の電子増倍層に、その電子増倍作用を効果的に発揮させるためには、電子増倍層の電界放出型電子源アレイ側端とターゲット側端との間に電位差を付与することが好ましい。この電位差は少なくとも数百Ｖであることが好ましく、このとき補助電極のターゲット側の面の電位は数百Ｖ以上となる可能性がある。
【００８６】
例えばターゲットに光電変換膜を備えた電界放出型電子源撮像装置においては、ターゲットの電子走査面の電位は、エミッタ電位まで下がるため、補助電極とターゲットとの互いに対向する面間の電位差は数百Ｖ以上となる。一方、一般に、電界放出型電子源装置では、ターゲット上での電子ビームスポットは小さいことが望まれ、このために、補助電極とターゲットとの間の距離はなるべく短く設定される。従って、補助電極とターゲットとの間の耐電圧特性が問題となる。
【００８７】
第７の好ましい形態によれば、補助電極とターゲットとの間に、補助電極とターゲットとの間の電圧差を緩和する第２補助電極が設けられているので、補助電極とターゲットとの間での放電の発生を抑制することができる。また、仮に補助電極から放電が発生しても、放電は第２補助電極で阻止されてターゲットに達するのを防止できる。
【００８８】
かくして、動作時に放電が発生しない、または、仮に放電が発生しても電界放出型電子源装置の動作に影響を与えない、信頼性の高い電界放出型電子源装置を提供することができる。
【００８９】
本発明の第８の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置は、上記第１の好ましい形態において、更に、前記電界放出型電子源アレイが形成された基板を有する。前記補助電極は、前記電界放出型電子源アレイと前記複数の貫通孔の前記開口とを離間させるスペーサー部を一体に備える。前記補助電極は前記スペーサー部を介して前記基板上に設置されている。
【００９０】
かかる第８の好ましい形態によれば、電界放出型電子源アレイと補助電極の電界放出型電子源アレイ側の開口との距離のバラツキを少なくし、高精度に設定することができる。例えば、図２２に示した従来の電界放出型電子源装置では、電界放出型電子源アレイ１２９とグリッド電極１２０との距離は、電界放出型電子源アレイ１２９が形成された背面パネル１１７と側面外周器１１６との接着精度（即ち、低融点フリットガラス１３３の厚みバラツキ）、側面外周器１１６の段部１２１とシールドグリッド電極１２０との接着精度（即ち、低融点フリットガラスの厚みバラツキ）、及び、側面外周器１１６の背面パネル１１７と接着される下面から段部１２１までの寸法の製作精度（即ち、寸法バラツキ）の３つのバラツキによって変化する。
【００９１】
これに対して、本発明の第８の好ましい形態では、補助電極がスペーサー部を一体に備えているので、電界放出型電子源アレイと補助電極の電界放出型電子源アレイ側の開口との距離は、電界放出型電子源アレイとスペーサー部との間の接着精度、及びスペーサー部の厚みの製作精度（即ち、寸法バラツキ）の２つのバラツキによって変化する。即ち、精度が最も劣る低融点フリットガラスによる接着部分がない。従って、電界放出型電子源アレイと補助電極の電界放出型電子源アレイ側の開口との距離精度が向上する。
【００９２】
また、本発明の第８の好ましい形態によれば、補助電極の機械的強度が向上する。
【００９３】
即ち、例えばＶＧＡ（水平方向６４０ドット×垂直方向４８０ドット）、外形対角サイズが１インチの電界放出型電子源撮像装置を考えると、一つの画素のサイズは０．０２ｍｍ程度となる。補助電極の厚みは、その機能を考慮すると１画素のサイズの１倍〜１０倍程度が適当と思われるので、０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍ程度になる。補助電極の寸法は１２ｍｍ×１０ｍｍよりも若干大きい程度であり、この補助電極に多数の貫通孔が形成されていることを考慮すれば、補助電極の機械的強度は非常に小さい。従って、電界放出型電子源装置の組み立て工程における補助電極の単体での取り扱いは、その機械的強度不足故に、非常に困難である。
【００９４】
ところが、本発明の第８の好ましい形態では、補助電極は、その周囲に枠状のスペーサー部を一体に備えている。従って、スペーサー部が補助電極の機械的強度を向上させるので、電界放出型電子源装置の組み立て工程における補助電極の単体での取り扱いの困難性という問題が解消される。
【００９５】
本発明の第９の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第８の好ましい形態において、前記スペーサー部と前記基板とは導電性材料を用いて接合されており、前記導電性材料を介して前記基板から前記補助電極の少なくとも一部に給電されている。
【００９６】
かかる第９の好ましい形態によれば、補助電極への電圧供給を、電界放出型電子源アレイが形成された基板から行うことが可能になり、電圧供給のためのワイヤーボンディングが不要になる。従って、ワイヤーボンディングを行うための費用を省くことができ、またワイヤーボンディングした場合のワイヤー倒れ等の不良の発生を回避することができる。
【００９７】
本発明の第１０の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第１の好ましい形態において、前記電子ビーム通過行路の延設方向に垂直な方向に沿った断面形状は、円形、楕円形、いずれの内角も９０度より大きな多角形、または隣り合う辺が円弧で接続された多角形である。
【００９８】
かかる第１０の好ましい形態によれば、補助電極を容易に製作することができる。
【００９９】
例えば、開口の端縁形状が、いずれの内角も９０度である長方形（又は正方形）である場合には、開口の端縁の四隅部分に応力が集中して、貫通孔の形成時にこの四隅部分で補助電極が割れるという問題が発生しやすい。
【０１００】
第１０の好ましい形態のように、開口の端縁形状が、円形、楕円形、いずれの内角も９０度より大きな５角形以上の多角形、または隣り合う辺が円弧で接続された多角形であると、応力集中が緩和されるので、貫通孔の形成時にトリミング電極が割れにくくなり、製作が容易になる。
【０１０１】
補助電極の製作が容易であることは、補助電極の製作歩留まりが向上することを意味し、安価な補助電極を提供することができる。よって、安価な電界放出型電子源装置を提供することができる。
【０１０２】
また、補助電極の機械的強度が向上することにより、単体での取り扱い性が容易になるので、電界放出型電子源装置の組立が容易となる。この点からも、安価な電界放出型電子源装置を提供することができる。
【０１０３】
本発明の第１１の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第１の好ましい形態において、前記電界放出型電子源アレイは、それぞれが電子を放出する複数の電子源を備えたセルを複数有し、前記開口は前記セルよりも小さく、前記開口と前記セルとが垂直方向に多対一に対応するように前記電界放出型電子源アレイと前記補助電極とが配置されており、前記セルから放出された電子ビームは、対応する前記開口に入り、前記電子ビーム通過行路を通過して、前記ターゲットに入射する。
【０１０４】
かかる第１１の好ましい形態によれば、１つのセルに対してこれより小さな開口を有する貫通孔が複数配置されている。従って、セルから放出された電子ビームを補助電極を用いてより選択的にトリミングできるので、ターゲットでの電子ビームのスポット径をより小さくすることができる。その結果、高精細な電界放出型電子源表示装置及び電界放出型電子源撮像装置を提供できる。
【０１０５】
本発明の第１２の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置は、上記第１の好ましい形態において、電界放出型電子源アレイと前記補助電極との間に、前記電界放出型電子源アレイから放出された前記電子ビームを予備集束する予備集束電極を更に有する。
【０１０６】
かかる第１２の好ましい形態によれば、電界放出型電子源アレイから放出された電子ビームは予備集束電極により予備集束されることで、その広がりが狭められて補助電極の貫通孔に入射する。
【０１０７】
従って、個々の電子ビームの進行方向は、鉛直方向と平行な方向に近づき、貫通孔の電子ビーム通過行路の延設方向と平行な方向に近づく。従って、電子ビームは、補助電極の貫通孔を通過しやすくなる。
【０１０８】
従って、第１２の好ましい形態では、予備集束しない場合に比べて、ターゲット上での電子ビームスポットが小さくなるので、更に高解像度の電界放出型電子源表示装置や更に高解像度の電界放出型電子源撮像装置を提供することができる。
【０１０９】
以下、本発明を、実施の形態を示しながら詳細に説明する。
【０１１０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置の断面図である。
【０１１１】
図１に示すように、本実施の形態１に係る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５と、側面外周器４とで形成された真空容器を備える。前面パネル１と側面外周器４、及び、背面パネル５と側面外周器４は、例えば高温焼成用のフリットガラスや、低温封着用のインジウムなどの真空封着材７により固着され封着されて、真空容器内は真空に保たれている。以下の説明の便宜のために、前面パネル１及び背面パネル５の法線方向と平行な軸をＺ軸と呼ぶ。
【０１１２】
背面パネル５の内面上には、電界放出型電子源アレイ１０が形成された半導体基板６が設置されている。半導体基板６上には、スペーサー部８ａを一体に備える補助電極８が設置固定されている。前面パネル１の補助電極８と対向する内面上には、透光性の陽極電極２とターゲット３とが形成されている。ターゲット３は、電界放出型電子源アレイから放出された電子を受け取り所定の有益な動作を行なう層であり、例えば蛍光体層又は光電変換膜である。
【０１１３】
前面パネル１、背面パネル５、側面外周器４からなる真空容器内には、余分なガスを吸着除去することにより、内部を高真空に保持する為のゲッターポンプ（図示せず）が設置されている。
【０１１４】
図２は補助電極８の電界放出型電子源アレイに対向する側の面から見た概略斜視図である。補助電極８は、略平板状の電極であり、中央の薄肉のビーム通過部９と、ビーム通過部９の周囲に連続して形成され、ビーム通過部９よりも厚い枠状のスペーサー部８ａとを備える。ビーム通過部９には複数の貫通孔が形成されている。
【０１１５】
スペーサー部８ａは、補助電極８の単体での機械的強度を向上させる機能と、電界放出型電子源アレイとビーム通過部９に形成された複数の貫通孔の開口とを離間し、且つ両者間の距離を高精度に維持する機能とを備えている。
【０１１６】
図３は補助電極８のビーム通過部９の一部拡大斜視図である。ビーム通過部９には、電界放出型電子源アレイから放出された電子ビームが通過するための、ビーム通過部９の表裏を貫通する多数の貫通孔９０が形成されている。多数の貫通孔９０は格子点状に配置されている。
【０１１７】
図４（Ａ）はビーム通過部９のＺ軸方向の一部拡大断面図である。各貫通孔９０は、ビーム通過部９の電界放出型電子源アレイ側の面に形成された開口９１と、開口９１からビーム通過部９の厚さ方向に連続した電子ビーム通過行路９２とを備えている。本明細書において、開口９１とは、貫通孔９０のうち、ビーム通過部９の電界放出型電子源アレイ側の面上に含まれる部分を意味し、Ｚ軸方向成分は含まれない。また、電子ビーム通過行路９２とは、貫通孔９０のうち、ビーム通過部９の表裏面間の間の部分を意味する。
【０１１８】
電子ビーム通過行路９２の長さは、開口９１の径Ｄよりも十分に大きい。ここで、電子ビーム通過行路９２の長さとは、電子ビーム通過行路９２に沿った長さを意味する。従って、電子ビーム通過行路９２が屈曲している場合にはビーム通過部９のＺ軸方向の厚さより長くなる。
【０１１９】
図５は、本実施の形態１に係る電界放出型電子源装置の分解斜視図である。図５を用いて、電界放出型電子源装置の組み立て方法の一例を簡単に説明する。
【０１２０】
背面パネル５上にフリットガラス７ａを付与し、この上に環状の側面外周器４を載置して、約４００℃程度の高温で焼成して、背面パネル５と側面外周器４とをフリットガラス７ａを介して接合する。
【０１２１】
補助電極８のスペーサー部８ａと半導体基板６とを例えば陽極接合や共晶接合などの接合方法により接合する。背面パネル５上の側面外周器４で囲まれた部分に、補助電極８が搭載された半導体基板６を、ダイボンディングして設置固定する。
【０１２２】
ビーム通過部９への給電は、半導体基板６から、補助電極８のスペーサー部８ａと半導体基板６との接合部及びスペーサー部８ａを介して行われる。補助電極８へ給電するための半導体基板６上の配線パターンは、背面パネル５上に形成された配線パターンとワイヤーボンディング（図示せず）により接続される。これにより、補助電極８への給電は、真空容器の外側より行なうことができる。
【０１２３】
半導体基板６上には、複数のセルをマトリクス状に並べた電界放出型電子源アレイが形成されている。各セルは、複数（例えば１００個）の冷陰極素子（エミッタ）を含む。
【０１２４】
半導体基板６上の電界放出型電子源アレイの複数のセルと、補助電極８の複数の貫通孔９０とは一対一に対応している。各セルの中心を通るＺ軸と平行な軸が、このセルと対応する補助電極８の貫通孔９０のほぼ中心を通るように（例えば、本実施の形態では、セルの中心を通るＺ軸と平行な軸に対する貫通孔９０の中心の位置ずれ量が３μｍ程度以下となるように）、半導体基板６と補助電極８とは高精度に位置合わせされる。
【０１２５】
このようにして組み立てられた背面パネル５、側面外周器４、補助電極８、及び半導体基板６からなる背面パネル構造体は、真空装置内で約１２０℃〜３５０℃程度の温度でガス出しの為の空焼きされる。
【０１２６】
空焼きが済んだ背面パネル構造体は、真空内にて、前面パネル１と、インジウムを付着させた金属リング７ｂにより接合一体化されて、内部が真空に封着された真空容器となる。
【０１２７】
半導体基板６上に形成される電界放出型電子源アレイは、図６に示される様に、先端が先鋭化された冷陰極素子（エミッタ）１５と、冷陰極素子１５の周辺に形成された絶縁層１３と、絶縁層１３上に設けられ、冷陰極素子１５を取り囲む開口が形成されたゲート電極１２等からなる多数のエミッター部が集積されてなる。
【０１２８】
電界放出型電子源アレイは、例えばＶＧＡ（水平方向６４０ドット×垂直方向４８０ドット）の撮像を行なう平面型撮像装置であれば、マトリックス状に配置された各画素位置に縦横方向寸法がいずれも２０μｍ程度の１つのセルがそれぞれ配置される。ゲート電極１２は、水平方向（又は垂直方向）に延びたストライプ状に複数形成され、エミッタ電極１４は、ゲート電極１２の長手方向と直交する方向に延びたストライプ状に複数形成される。Ｚ軸と平行な方向から見て、複数のゲート電極１２と複数のエミッタ電極１４との交点位置にセルが１つずつ配置される。各セルには、エミッタ電極１４上の縦横方向寸法がいずれも１０μｍ程度の領域内に複数の冷陰極素子１５がほぼ均等に分布するように配置されている。
【０１２９】
同一セル内の複数の冷陰極素子１５には例えば３０Ｖの基準電位から０Ｖに低下するパルス状のエミッタ電位が印加され、冷陰極素子１５を取り囲む絶縁層１３上に形成されたゲート電極１２には例えば３０Ｖの基準電位から中位の６０Ｖに上昇するパルス状のゲート電位が印加される。冷陰極素子１５とゲート電極１２との間に形成される電位差により、冷陰極素子１５の先端から電子が放出される。
【０１３０】
ゲート電極１２及びエミッタ電極１４は、背面パネル６上に、真空容器の内外を繋ぐように形成された配線パターンと接続されている。冷陰極素子１５に与えられるエミッタ電位及びゲート電極１２に与えられるゲート電位は、真空容器の外側からこの配線パターンを介して供給される。
【０１３１】
補助電極８には、ゲート電極１２に印加される最大電圧よりも若干高い、中位の１５０〜５００Ｖ程度の電圧が印加される。電界放出型電子源アレイから、補助電極８のビーム通過部９に形成された複数の貫通孔の電界放出型電子源アレイ側の面までの距離は１００μｍ程度である。
【０１３２】
補助電極８へ印加される電圧が高すぎると、補助電極８と電界放出型電子源アレイとの間の耐電圧特性上の問題を引き起こす可能性がある。更に、電界放出型電子源撮像装置として使用する場合にはターゲット３との間での耐電圧特性も問題となる可能性がある。逆に、補助電極８へ印加される電圧が低すぎると、電界放出型電子源アレイから放出された電子ビームを加速させる効果が薄れ、電子ビームの発散角が大きくなってしまい、補助電極８を通過する電子ビーム量が少なくなり、電子ビームの電流量を十分確保できない可能性がある。このため、発明者らは実験を通じて補助電極８へ印加される電圧の好適値が上述の範囲であることを確認している。
【０１３３】
ターゲット３は補助電極８から１５０〜数百μｍ程度離れて配置される。前面パネル１とターゲット３との間には、透明な陽極電極２が形成されている。陽極電極２には補助電極８に印加される電圧よりも高い、高位の例えば数１００Ｖ〜数ｋＶ程度の電圧が前面パネル１を貫通する電極４３（図５参照）を介して印加される。
【０１３４】
電界放出型電子源アレイの冷陰極素子１５とゲート電極１２とにそれぞれ所定の電圧を印加すると、冷陰極素子１５から電子ビーム１１ａが放出される。電子ビーム１１ａは、電界放出型電子源アレイからＺ軸方向に１００μｍ程度離れた、１００μｍ程度の厚みを有する補助電極８の貫通孔９０の開口９１に入射し、開口９１から連続する電子ビーム通過行路９２内を通過する。そして、補助電極８から出射した電子ビームは、補助電極から１５０〜数百μｍ程度離れたターゲット３に到達する。
【０１３５】
補助電極８にはスペーサー部８ａが一体に形成されており、補助電極８のスペーサー部８ａは電界放出型電子源アレイが形成された半導体基板６上に直接設置される。これにより、電界放出型電子源アレイと補助電極８との間の距離精度を向上させることができる。この結果、電界放出型電子源アレイと補助電極８のビーム通過部９に形成された複数の貫通孔９０の開口９１との間の距離を高精度に維持するというスペーサー部８ａの役割を効果的に発揮させることができる。
【０１３６】
補助電極８のスペーサー部８ａの厚みＨｓは、例えば上述の電界放出型電子源アレイの１つのセルの縦横寸法がそれぞれ２０μｍ程度である場合、５０〜１５０μｍ程度（最適は１００μｍ程度）が好ましい。ここで、スペーサー部８ａの厚みＨｓとは、図７に示すように、補助電極８のビーム通過部９の電界放出型電子源アレイ側の面と電界放出型電子源アレイとの間の距離を意味する。
【０１３７】
この場合、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）加工における寸法マージンとビーム通過部９の機械的強度の観点から、縦横方向に隣り合う開口９１間の距離（即ち、隣り合う電子ビーム通過行路９２間の壁の厚さ）は４μｍ±２μｍの範囲内であることが好ましい。従って、１セルの縦横寸法がそれぞれ２０μｍの場合には、補助電極８の貫通孔９０の開口９１の形状は一辺が１６μｍ程度の四角形となる。ビーム通過部９の厚み（即ち電子ビーム通過行路９２のＺ軸方向寸法）Ｈｔは、開口９１の上記の開口径の約１．５〜１０倍程度、更には６〜８倍程度（上記の例では１００〜１２０μｍ程度）が好ましい。
【０１３８】
図７は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【０１３９】
補助電極８は、電子増倍層２８と、電子増倍層２８の両側に設けられた低抵抗の薄膜からなる第１電極２７及び第２電極２９とを備える。
【０１４０】
電子増倍層２８は、例えばガラス素材の多数のチューブを束ねて作成される。このガラスチューブが電子ビームが通過する貫通孔９０となる。
【０１４１】
電子増倍層２８の電界放出型電子源アレイ１０側に配置された第１電極２７には、半導体基板６から電界放出型電子源アレイ１０のゲート電圧よりも高い１５０〜３００Ｖ程度の中位の電圧が印加され、第２電極２９には第１電極２７に印加される電圧よりも高い電圧が印加されている。
【０１４２】
電界放出型電子源アレイ１０から放出された電子ビームは第１電極２７の電位により補助電極８に向かって加速される。
【０１４３】
電子増倍層２８内には第１電極２７に印加された第１電圧と第２電極２９に印加された第２電圧により電位勾配が形成される。この電位勾配により電子増倍層２８内に到達した電子は２次電子増倍作用を受け加速度的に電子ビーム量を増加させて補助電極８から出射される。
【０１４４】
図８に電子増倍層の２次電子増倍作用を概念的に示す。但し、図８では図を簡略化して理解を容易にするために補助電極８に入射した一部の電子についての電子増倍の様子のみを図示している。また、実際の電子ビームは電界の作用でターゲット３に向かう方向（即ちＺ軸に沿う方向）に徐々に曲げられるが、ここでは直線で描いている。これは後述する図９，図１６においても同様である。
【０１４５】
電子増倍層２８により数が増加した電子は、補助電極８から出射しターゲット３へ到達する。電子増倍層の２次電子増倍作用によりターゲット３に到達する電子ビーム量が多くなるので、ターゲット３に蛍光体を備えた電界放出型電子源表示装置の高輝度化、高コントラスト化が可能となり、ターゲット３に光電変換膜を備えた電界放出型電子源撮像装置においては残像を少なく又はなくすことができる。
【０１４６】
また、ターゲット３に十分な電子ビームを供給できるので、電子増倍層２８を備えない場合に比較して電界放出型電子源アレイ１０から放出される電子ビーム量を抑制することができる。これにより、電界放出型電子源アレイ１０のエミッタ電位とゲート電位との電圧差を小さくすることが可能となり、耐電圧特性に関して信頼性の高い電界放出型電子源装置を提供することができる。
【０１４７】
また、電子増倍層２８の電界放出型電子源アレイ１０側とターゲット３側に電子増倍層２８よりも低抵抗の薄膜２７，２９を設けたことにより、電界放出型電子源アレイ１０から放出された電子ビーム１１ａが補助電極８に局所的に衝突することによって発生する局所的な電圧変動、補助電極８をターゲット３に向かって出射した電子ビーム１１ｃがターゲット３側から戻って来て補助電極８に衝突することによって発生する局所的な電圧変動、及び、電界放出型電子源アレイ１０に印加されるパルス電圧が、電界放出型電子源アレイ１０と補助電極８との間の静電容量及び補助電極８とターゲット３との間の静電容量を介してターゲット３に重畳される現象を抑制することができる。補助電極８の電圧変動が抑制されることにより、電子ビーム量が安定するので、輝度のバラツキが低減された電界放出型電子源表示装置を提供できる。また、電界放出型電子源アレイ１０に印加されるパルス電圧によるターゲット３の電圧変動が生じにくくなるので、雑音が低減された電界放出型電子源撮像装置を提供できる。
【０１４８】
上記の例では電子増倍層２８は多数のガラスチューブを束ねて作成作成されたが、電子増倍層２８の材料はこれに限定されず、例えば２次電子利得が高いＭｇＯ、Ｃｓ2Ｏ、セシウム化シリコン、ＮａＣｌ、Ｎａｌ等を用いることができる。また、これらの材料を多数の貫通孔を備えた板状部材の貫通孔の側壁に塗布しても良い。電子増倍層２８の材料としては、ガス放出が少なく、仕事関数が少ない材料が好適である。
【０１４９】
電子増倍層２８が、図９のように、互いに異なる材料からなる、電界放出型電子源アレイ１０側の第１電子増倍層２８ａとターゲット３側の第２電子増倍層２８ｂとを有していても良い。これにより、電子増倍層２８が、２次電子増倍作用に加えて、所望の速度ベクトルを有する電子ビームのみを選択的に抽出するトリミング作用を有することができる。
【０１５０】
一般に２次電子放出作用は、２次電子放射面に対する電子ビームの入射角（２次電子放射面の法線に対する電子ビームの速度ベクトルがなす角度）が大きいほど、２次電子増倍が起こりやすく、２次電子放出量は大きく、逆に２次電子放射面に対する電子ビームの入射角が小さいほど大きいほど、２次電子増倍が起こりにくく、２次電子放出量は少ない。この特性を利用して、例えば補助電極８の入射側には２次電子増倍率の比較的小さな材料からなる第１電子増倍層２８ａを配置し、出射側には２次電子増倍率の比較的大きな材料からなる第２電子増倍層２８ｂを配置する。これにより、補助電極８に、上述の２次電子増倍作用と所望の速度ベクトルを有する電子ビームのみを選択的に抽出するトリミング作用とを行わせることができる。
【０１５１】
即ち、補助電極８の入射側に２次電子増倍率の比較的小さな材料を配置することにより、指定セルを通りＺ軸と平行な直線上に位置する補助電極８の貫通孔（以下、この貫通孔を「指定セルに対応する貫通孔」という）９０には、電子ビーム通過行路９２の長手方向（即ちＺ軸方向）に対する角度が比較的小さな速度ベクトルを有する電子ビーム１１ａが入射し、指定セルに対応する貫通孔９０の周辺の貫通孔９０には、電子ビーム通過行路９２の長手方向（即ちＺ軸方向）に対する角度が比較的大きな速度ベクトルを有する電子ビーム１１ａが入射する。
【０１５２】
従って、指定セルに対応する貫通孔９０では、電子ビームが２次電子増倍率の比較的小さな材料からなる第１電子増倍層２８ａに大きな入射角で衝突するので、多くの２次電子が放出される。一方、指定セルに対応する貫通孔９０の周辺の貫通孔９０では、電子ビームが２次電子増倍率の比較的小さな材料からなる第１電子増倍層２８ａに小さな入射角で衝突するので、２次電子の放出量は少ない。
【０１５３】
従って、指定セルに対応する貫通孔９０内の第１電子増倍層２８ａの領域を電子ビームがその数を増倍させながら集中して通過するというトリミング作用が発生する。そして、これらの電子は、第１電子増倍層２８ａよりもターゲット３側に配置された、２次電子増倍率の比較的大きな材料からなる第２電子増倍層２８ｂに大きな入射角で衝突し、更に多くの２次電子が次々に放出される。この多量の電子は、貫通孔９０を出射してターゲット３に到達する。従って、ターゲット３に到達する電子ビーム量は多くなり、且つターゲット３上での電子ビームのスポット径は小さくなる。
【０１５４】
なお、図９とは逆に、電界放出型電子源アレイ１０側に２次電子増倍率の比較的大きな材料からなる第２電子増倍層２８ｂを配置し、ターゲット３側に２次電子増倍率の比較的小さな材料からなる第１電子増倍層２８ａを配置しても良い。この場合には、小さな指定セルから放出された電子ビームを、補助電極８によって大きな断面積を有し速度ベクトルが揃った電子ビームに変換してターゲット３に到達させることができる。この実施形態は、上記の電界放出型電子源表示装置や電界放出型電子源撮像装置以外の用途に使われる電界放出型電子源装置に活用することが可能である。
【０１５５】
図７では電子増倍層２８を含む補助電極８の電子ビーム通過行路９２の延設方向がＺ軸と平行であったが、電子ビーム通過行路９２の延設方向の向きはこれに限定されない。例えば図１０に示すように電子ビーム通過行路９２の延設方向がＺ軸に対して傾斜していても良い。あるいは、電子ビーム通過行路９２が、延設方向がＺ軸対する角度が互いに異なる２以上の部分を含んでいても良い。例えば、図１１に示すように、第１電子増倍層２８ａと第２電子増倍層２８ｂとで電子ビーム通過行路９２の延設方向を異ならせても良い。
【０１５６】
上述した実施の形態では、電界放出型電子源が先端の尖った冷陰極素子１５とその先端を囲む開口が形成されたゲート電極１２とを備えたスピント型を例に説明したが、本発明の電界放出型電子源はこれに限定されない。例えばカソード電極とゲート電極との間に絶縁層を形成し、絶縁層に電圧を印加してトンネル効果により電子放出を行なうＭＩＭ（Metal Insulator Metal）型、カソード電極とエミッタ電極との間に微小なギャップを設け、これら電極間に電圧を印加して微小ギャップから電子放出を行なうＳＣＥ（Surface Conduction Electron Source）型、あるいは電子源にＤＬＣ（Diamond Like Carbon）やＣＮＴ（Carbon Nanotube）等の炭素系材料を用いた電界放出型電子源であっても良い。
【０１５７】
電子ビームが広がりをもって電界放出される電子源であって、ターゲット３上での電子ビームのスポット径を小さくする必要がある電界放出型電子源装置は、本発明の効果が効果的に発揮されるので、本発明が適用されることが特に好ましい。
【０１５８】
ＣＮＴ（Carbon Nanotube）等の炭素系材料を用いた電界放出型電子源の一例を図１２に示す（例えば特許文献６参照）。
【０１５９】
基板上に、無数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）からなるＣＮＴ層５９が形成されている。ＣＮＴ層５９を取り囲むように、集束電極６０が形成されている。ＣＮＴ層５９の上方にはＣＮＴ層５９から電子を引き出すためのゲート電極６１が形成されている。ゲート電極６１には、無数の電子ビーム通過孔が形成されている。カーボンナノチューブからなるセルの平面視形状は四角形である。複数のセルが縦横方向にマトリックス状に配置されている。縦方向に並んだ複数のセルは互いに電気的に接続されてエミッタラインを形成する。ゲート電極６１は、横方向に並んだ複数のセル上に配置されてゲートラインを形成する。複数のエミッタラインのうちの１つと、複数のゲートラインのうちの１つを選択することにより、選択されたエミッタラインとゲートラインとの交点に位置するセルから電子ビーム１１ａが放出される。
【０１６０】
ゲート電極６１が薄いと、セルから放出される電子ビーム１１ａの量が多くなり、その発散角は大きくなり、ゲート電極６１が厚いと、セルから放出される電子ビーム１１ａの量が少なくなり、その発散角は小さくなる。
【０１６１】
本発明は、このようなＣＮＴを用いた電界放出型電子源を備えた電界放出型電子源装置にも適用することができる。特に、ゲート電極６１が薄く、そのためにセルから放出される電子ビーム１１ａの量が多く、その発散角は大きい場合に適用すると、本発明の効果が効果的に発揮されるので好ましい。その場合、補助電極８の貫通孔９０がセルと一対一に対応してセルのＺ軸方向の上方に配置され、貫通孔９０の開口がセルと同程度の大きさを有していることが好ましい。
【０１６２】
また、上記の実施の形態では、電界放出型電子源アレイからビーム通過部９の貫通孔９０の開口９１までの距離が１００μｍ程度、ビーム通過部９の厚みが１００μｍ程度、補助電極８からターゲット３までの距離が１５０〜数百μｍ程度である例を示したが、本発明はこれに限定されず、電界放出型電子源装置の用途、電界放出型電子源の種類によってこれらの距離を自由に設定しても良いことは言うまでも無い。
【０１６３】
更に、上記の実施の形態では、ターゲット３が陽極電極２を覆っていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、陽極電極２がターゲット３より大きくても良い。また、ターゲット３が３色の蛍光体を含み、陽極電極２の表面にこの３色の蛍光体を交互に形成しても良い。この場合、隣り合う蛍光体の間にブラックマトリクスのような光吸収層を設けても良い。更に、陽極電極２のとターゲット３との間、又は陽極電極２と前面パネル１との間に、単色又は３色のカラーフィルター層を設け、カラーフィルター層の色に対応して蛍光体層又は光電変換膜層をターゲット３として形成しても良い。
【０１６４】
また、上記の実施の形態では、電界放出型電子源アレイからビーム通過部９までの距離の組立誤差を少なくするために、スペーサ部８ａを一体化に備えるトリミング電極８を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１３に示すように、側面外周器２４の内周面に段差２４ａを設け、この段差２４ａでスペーサ部を有しない補助電極２５を支持しても良い。
【０１６５】
補助電極８の貫通孔９０の電子ビーム通過行路９２の内径は、上述した図４（Ａ）のようにＺ軸方向において一定である必要はなく、変化していても良い。電子ビーム通過行路９２の内径をＺ軸方向において変化させることにより、補助電極８のトリミング作用を調整することができる。例えば、図４（Ｂ）に示すように、電子ビーム通過行路９２の内径が電子ビームの入射側よりも出射側で小さいと、補助電極８の貫通孔９０を出射する電子ビームの発散角をより小さくすることができるので好ましい。
【０１６６】
補助電極８の貫通孔９０の電子ビーム通過行路９２のＺ軸に垂直な方向に沿った断面形状は、上記の例のように四角形に限定されない。例えば、円形、楕円形、いずれの内角も９０度より大きな多角形、または隣り合う辺が円弧で接続された多角形であっても良い。これらの形状にすることにより、補助電極内における局所的な応力集中を防止して、高強度の補助電極を得ることができる。例えば、電子ビーム通過行路９２の断面形状を６角形又は円形として、ビーム通過部９をハニカム構造としても良い。電子ビーム通過行路９２の断面形状が正方形以外の形状である場合には、その形状と同じ面積を有する正方形の一辺の長さを開口径Ｄと考えて上述したビーム通過部９の厚みＨｔと開口径Ｄとの関係が適用される。
【０１６７】
更に、上記の実施の形態では、Ｚ軸方向から見た前面パネル１の形状が円形であったが、本発明はこれに限定されず、例えば四角形であっても良い。
【０１６８】
また、上記の実施の形態では、補助電極８は電界放出型電子源アレイ１０が形成された半導体基板６上に設置されていたが、本発明はこれに限定されず、例えば背面パネル５上に半導体加工技術を用いてスピント型等の電界放出型電子源アレイを直接形成し、電界放出型電子源アレイを形成した背面パネル５上に補助電極８を設置しても良い。
【０１６９】
更に、上述の実施の形態では、ＶＧＡに対応した電界放出型電子源装置を想定して電界放出型電子源アレイの１つのセルの大きさを２０μｍ角程度とし、これに合わせた各部の寸法を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えばＳＶＧＡ、ＳＸＧＡに対応する電界放出型電子源装置であれば、１つのセルの大きさは上記よりも小さくなり、その他の各部の寸法もこれに合わせて小さくしなければならない。
【０１７０】
また、電界放出型電子源アレイ１０の一つのセルに対して、このセルのサイズよりも小さい開口径を有する複数の貫通孔を、このセルの中心を通りＺ軸に平行な直線上に配置して、複数の貫通孔の各電子ビーム通過行路によって選択的に電子ビームをトリミングした後、補助電極からターゲットへ向けて射出させても良い。この場合は補助電極による電子ビームの除去率が大きくなるので、電界放出型電子源アレイ１０からの電子ビーム量を大きくする必要があり注意を要する。
【０１７１】
更に、上述の実施の形態に示した各部に印加される電圧は一例にすぎず、電界放出型電子源装置の用途、各部のサイズ等によって最適値は異なり、適宜変更しなければならないことは言うまでも無い。
【０１７２】
以上述べた如く、本実施の形態１では、補助電極の一部に電子増倍層が設けられているので、指定セルに対応する貫通孔に入射した電子ビームの量を増加させることができる。従って、ターゲットに到達する電子ビーム量を多くすることができる。よって、高輝度且つ高精細の電界放出型電子源表示装置や、残像の少ない電界放出型電子源撮像装置を実現することができる。
【０１７３】
（実施の形態２）
図１４は、本発明の実施の形態２に係る電界放出型電子源装置の断面図である。
【０１７４】
図１４に示すように、本実施の形態２に係る電界放出型電子源装置は、電界放出型電子源アレイ１０の補助電極８側に予備集束用のフォーカス電極２６が設けられている点で実施の形態１に係る電界放出型電子源装置と異なる。以下では実施の形態１と同じ部分についての説明を省略する。
【０１７５】
フォーカス電極２６は、電界放出型電子源アレイ１０のマトリックス状に配置された複数のセルのそれぞれの位置に開口を有し、各セルを包囲する複数の筒状体を備えている。フォーカス電極２６には、補助電極８の電界放出型電子源アレイ１０側の部分に印加される電圧よりも低い電圧が供給される。これにより、補助電極８からフォーカス電極２６の筒状体内に浸透する電界が形成される。
【０１７６】
電界放出型電子源アレイ１０のセルから放出された電子ビームは、フォーカス電極２６の筒状体内に形成された電界により予備集束されたのち、補助電極８に向かって放出される。電子ビームはフォーカス電極２６による予備集束を受けるので、フォーカス電極２６を出射する電子ビームの拡散角は、フォーカス電極２６を備えない場合に比べて、小さくなる。このために、Ｚ軸方向（電子ビーム通過行路９２の長手方向）に対してなす角度が小さな速度ベクトルを有する電子ビームが多くなるので、補助電極８を通過する電子ビーム量が多くなる。従って、指定セルに対応する貫通孔９０に入射する電子ビーム量が多くなる。この結果、フォーカス電極２６を備えない場合に比べて、ターゲット３に到達する電子ビーム量が多くなり、且つ、ターゲット３上において電子ビームのスポット径が小さくなる。
【０１７７】
以上述べた如く、本実施の形態２では、電界放出型電子源アレイ１０から放出された電子ビームが補助電極８に入射する前に、フォーカス電極２６により予備集束される。これにより、実施の形態１に比べて、ターゲット３に到達する電子ビーム量を多くすることができ、且つ、ターゲット３上において電子ビームのスポット径を小さくすることができる。これにより、高輝度且つ高精細の電界放出型電子源表示装置や、残像が少なく且つ高精細の電界放出型電子源撮像装置を提供することができる。
【０１７８】
上記の例では単一電極を有するフォーカス電極を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、Ｚ軸方向に複数の電極を有していても良い。各電極に異なる電圧を印加することにより、フォーカス電極内に予備集束のための電界を形成することができる。この場合、補助電極に最も近い電極に印加する電圧は、補助電極８のフォーカス電極側の部分に印加される電圧よりも低くても良いし、同じであっても良い。同じ場合には供給電圧回路を共通化できる。
【０１７９】
上記の例では、実施の形態１に示した電界放出型電子源装置にフォーカス電極を設けたが、本発明はこれに限定されず、上述した又は後述するいずれの電界放出型電子源装置に本実施の形態で説明したフォーカス電極を設けることができ、その場合も上記と同様の効果を得ることができる。
【０１８０】
（実施の形態３）
図１５は、本発明の実施の形態３に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【０１８１】
図１５に示すように、本実施の形態３に係る電界放出型電子源装置は、補助電極３５が、電子増倍層３３の電界放出型電子源アレイ１０側に、所定の速度ベクトルを有する電子ビームのみを選択的に吸収し除去するトリミング層３２を備える点で、実施の形態１に係る電界放出型電子源装置と異なる。以下では実施の形態１と同じ部分についての説明を省略する。
【０１８２】
補助電極３５は、補助電極３５の電界放出型電子源アレイ１０側に配置された第１電極３１と、例えばシリコンにＮ型又はＰ型の物質をドープした半導体層からなるトリミング層３２と、２次電子増倍作用を有する電子増倍層３３と、補助電極３５のターゲット３側に配置された第２電極３４とを備える。電子増倍層３３の基本的構成は、実施の形態１の電子増倍層２８と同じである。
【０１８３】
例えば、第１電極３１には、半導体基板６から電界放出型電子源アレイ１０のゲート電圧よりも高い１５０〜３００Ｖ程度の中位の電圧が印加され、トリミング層３２には第１電極３１と同電圧が印加され、第２電極３４には第１電極３１に印加される電圧よりも高い電圧が印加されている。
【０１８４】
電界放出型電子源アレイ１０から放出された電子ビームは第１電極３１の電位により補助電極３５に向かって加速される。
【０１８５】
図１６にトリミング層３２のトリミング作用及び電子増倍層３３の２次電子増倍作用を概念的に示す。
【０１８６】
電界放出型電子源アレイ１０の指定セルから放出された電子ビーム１１ａのうち、Ｚ軸に対して斜めに進行する電子ビームは、この指定セルに対応する貫通孔９０の周辺に位置する貫通孔９０に入射し、貫通孔９０内においてトリミング層３２に衝突し、吸収され除去される。
【０１８７】
一方、電界放出型電子源アレイ１０の指定セルから放出された電子ビーム１１ａのうち、Ｚ軸とほぼ平行に進行する電子ビームは、この指定セルに対応する貫通孔９０に入射する。貫通孔９０内において、電子ビームのうちのごく一部はトリミング層３２に衝突し吸収され除去されるが、ほとんどはトリミング層３２を通過する。電子増倍層３３に達した電子ビームのうち、一部は電子増倍層３３を通過して貫通孔９０からターゲット３に向けて出射し、残りは電子増倍層３３に衝突し、２次電子が放出される。発生した２次電子は貫通孔９０からターゲット３に向けて出射する。
【０１８８】
このように、電子増倍層３３よりも電界放出型電子源アレイ１０側にトリミング層３２を設けることにより、以下のような効果が得られる。
【０１８９】
即ち、電界放出型電子源アレイ１０の指定セルから電子ビーム１１ａは所定の広がりをもって放出される。従って、電子ビーム１１ａは、指定セルに対応する貫通孔９０のみならず、指定セルに対応する貫通孔９０の周辺に位置する貫通孔９０にも入射する。ここで、補助電極３５にトリミング層３２が設けられておらず、補助電極３５の入射側端近傍にまで電子増倍層３３が設けられていると、指定セルに対応する貫通孔９０の周辺に位置する貫通孔９０内においても、電子ビームが電子増倍層３３に衝突して２次電子が放出されてしまう。これにより、指定セルに対応する貫通孔９０のみならず、その周辺の貫通孔９０からも電子ビームがターゲット３に向けて出射され、その結果、ターゲット３上において電子ビームのスポット径が拡大する。これでは、電界放出型電子源表示装置や電界放出型電子源装置の解像度が著しく劣化してしまう可能性がある。
【０１９０】
本実施の形態３の補助電極３５は、電子増倍層３３よりも電界放出型電子源アレイ１０側にトリミング層３２を備える。これにより、指定セルに対応する貫通孔９０の周辺に位置する貫通孔９０にも入射した電子ビームを確実にトリミング層３２に衝突させて吸収除去することができる。その結果、指定セルに対応する貫通孔９０の周辺に位置する貫通孔９０からターゲット３に向けて電子ビームが出射するのを防止できる。
【０１９１】
よって、本実施の形態３によれば、電界放出型電子源アレイの指定セルから広がりをもって放出された電子ビームを、補助電極３５により選択し且つ増倍させた後に、指定セルに対応する貫通孔９０からターゲット３に向けて出射させることができる。従って、ターゲット３に到達する電子ビーム量が多くなり、且つターゲット３上での電子ビームのスポット径は小さくなる。従って、実施の形態１よりも更に高解像度で高精細な電界放出型電子源表示装置及び電界放出型電子源撮像装置を実現することができる。
【０１９２】
更に、貫通孔９０内の電子増倍層３３の領域での電位勾配を実施の形態１よりも大きくすることができるので、電子増倍作用を更に効率良く行なうことができる。
【０１９３】
あるいは、貫通孔９０内の電子増倍層３３の領域での電位勾配を実施の形態１と同程度にした場合には、補助電極３５のターゲット３側の第２電極３４の電位を低下させることができる。これにより、補助電極３５とターゲット３ととの間の、ターゲット３に向かう電子ビーム１１ｃを減速するように作用する電界を弱めることができるので、ターゲット３上での電子ビームのスポット径を実施の形態１よりも更に小さくすることができる。この構成は、電界放出型電子源撮像装置に好適である。
【０１９４】
以上述べた如く、本実施の形態３では、補助電極３５が、電子増倍層３３よりも電界放出型電子源アレイ１０側にトリミング層３２を備える。従って、電界放出型電子源アレイ１０の指定セルから広がりをもって放出された電子ビームのうち、トリミング層３２内の電子ビーム通過行路９２の延設方向に対してほぼ平行な速度ベクトルを有する電子ビームのみがトリミング層３２を選択的に通過され、次いで、電子増倍層３３にて電子ビーム量を増加されて、補助電極３５から出射する。この結果、実施の形態１よりも更に高解像度で高精細な電界放出型電子源表示装置及び電界放出型電子源撮像装置を実現することができる。
【０１９５】
（実施の形態４）
図１７は、本発明の実施の形態４に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【０１９６】
図１７に示すように、本実施の形態４に係る電界放出型電子源装置は、補助電極４０に形成された電子ビーム通過行路９２の延設方向が、トリミング層３７の部分と電子増倍層３８の部分とで異なる点で、実施の形態３に係る電界放出型電子源装置と異なる。以下では実施の形態３と同じ部分についての説明を省略する。
【０１９７】
即ち、トリミング層３７の部分での電子ビーム通過行路９２の延設方向はＺ軸に対して平行であるのに対して、電子増倍層３８の部分での電子ビーム通過行路９２の延設方向はＺ軸に対して傾斜している。
【０１９８】
電界放出型電子源アレイ１０から放出された電子ビームは第１電極３１の電位により補助電極４０に向かって加速される。
【０１９９】
電界放出型電子源アレイ１０の指定セルから放出された電子ビームのうち、Ｚ軸に対して斜めに進行する電子ビームは、この指定セルに対応する貫通孔９０の周辺に位置する貫通孔９０に入射し、貫通孔９０内においてトリミング層３７に衝突し、吸収され除去される。
【０２００】
一方、電界放出型電子源アレイ１０の指定セルから放出された電子ビームのうち、Ｚ軸とほぼ平行に進行する電子ビームは、この指定セルに対応する貫通孔９０に入射する。貫通孔９０内において、電子ビームのうちのごく一部はトリミング層３７に衝突し吸収され除去されるが、ほとんどはトリミング層３７を通過する。
【０２０１】
指定セルに対応する貫通孔９０に入射し、トリミング層３７を通過した電子ビームは、次に電子増倍層３８に入射する。本実施の形態４は実施の形態３と異なり、トリミング層３７における電子ビーム通過行路９２の延設方向に対して、電子増倍層３８における電子ビーム通過行路９２の延設方向が傾斜している。従って、電子増倍層３８に入射したほぼ全ての電子ビームは電子増倍層３３に衝突し、効率よく２次電子が放出される。発生した２次電子は貫通孔９０からターゲット３に向けて出射する。
【０２０２】
ターゲット３に到達する電子ビーム量は実施の形態３よりも増大するので、より高輝度且つ高精細の電界放出型電子源表示装置や、残像のより少ない電界放出型電子源撮像装置を実現することができる。
【０２０３】
トリミング層３７における電子ビーム通過行路９２の延設方向に対する、電子増倍層３８における電子ビーム通過行路９２の延設方向の傾斜角度の上限は、特に制限はないが４５度以下であると、２次電子増倍を効率良く行わせることができるので、好ましい。
【０２０４】
電子増倍層３８が、電子ビーム通過行路９２の延設方向が互いに異なる２層以上の積層構造を有していても良い。例えば、図１８に示すように、電子増倍層３８が、トリミング層３７に隣接し、トリミング層３７における電子ビーム通過行路９２の延設方向に対して傾斜した方向に延設された電子ビーム通過行路９２が形成された第１電子増倍層３８ａと、この第１電子増倍層３８ａにおける電子ビーム通過行路９２の延設方向に対して傾斜した方向に延設された電子ビーム通過行路９２が形成された第２電子増倍層３８ｂとを有していても良い。これにより、第１電子増倍層３８ａにおいて増倍された電子が第２電子増倍層３８ｂにおいて更に増倍されるので、電子増倍作用を飛躍的に向上させ、極めて多量の電子ビームをターゲット３に到達させることができる。
【０２０５】
以上述べた如く、本実施の形態４では、補助電極４０に形成された電子ビーム通過行路９２の延設方向が、トリミング層３７の部分と電子増倍層３８の部分とで異なるので、トリミング層３７を通過した電子ビームを確実に電子増倍層３８に衝突させることができる。実施の形態３では、トリミング層３２の部分と電子増倍層３３の部分とにわたって電子ビーム通過行路９２が一直線上に延設していたので、トリミング層３７を通過した電子ビームのうち電子ビーム通過行路９２の延設方向と平行な方向の速度ベクトルを有する電子ビームは電子増倍層３３に衝突することはなかった。これに対して、本実施の形態４では、トリミング層３７を通過した全ての電子ビームを電子増倍層３８に衝突させることができる。従って、より多くの２次電子を放出させることができるので、ターゲット３に到達する電子ビーム量を実施の形態３よりも増大させることができる。この結果、実施の形態３に比べて、より高輝度且つ高精細の電界放出型電子源表示装置や、残像のより少ない電界放出型電子源撮像装置を実現することができる。
【０２０６】
（実施の形態５）
図１９は、本発明の実施の形態５に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【０２０７】
図１９に示すように、本実施の形態５に係る電界放出型電子源装置は、補助電極４２のターゲット３側に配置された第２電極をターゲット３の側に厚くして第２トリミング層４１とした点で、実施の形態４の図１７に示した電界放出型電子源装置と異なる。以下では実施の形態４と同じ部分についての説明を省略する。
【０２０８】
電界放出型電子源アレイ１０の指定セルから放出された電子ビームが補助電極４２の電子増倍層３８に至るまでの過程は実施の形態４と同様である。本実施の形態５では、電子増倍層３８で２次電子増倍により増加し第２トリミング層４１に入射した電子ビームのうち、第２トリミング層４１における電子ビーム通過行路９２の延設方向に対して傾斜した速度ベクトルを有する電子ビームが第２トリミング層４１に衝突して吸収除去される。これにより、Ｚ軸に対する角度が大きな速度ベクトルを有する電子ビームを選択的に除去することができるので、第２補助電極４２の貫通孔９０を出射する電子ビームの発散角を小さくすることができる。また、電子ビームは電子増倍層３８を通過しているので、第２トリミング層４１によるトリミング作用を受けても、十分な電子ビーム量を確保できる。
【０２０９】
従って、ターゲット３に到達する電子ビーム量を多くすることができ、且つ、ターゲット３上において電子ビームのスポット径を小さくすることができる。
【０２１０】
また、補助電極４２を出射する電子ビームの発散角が小さいので、補助電極４２からターゲット３までの距離にバラツキが生じても、ターゲット３上における電子ビームのスポット径はほとんど変化しない。
【０２１１】
以上述べた如く、本実施の形態５では、補助電極４２が電子増倍層３８よりもターゲット３側に第２トリミング層４１を備えるので、補助電極４２を出射する電子ビームの発散角を実施の形態４よりも小さくすることができる。従って、補助電極４２からターゲット３までの距離のバラツキによる影響をほとんど受けることなく、ターゲット３上において電子ビームのスポット径を小さくすることができる。この結果、実施の形態４に比べて、より高解像度且つ高精細の電界放出型電子源表示装置及び電界放出型電子源撮像装置を実現することができる。
【０２１２】
（実施の形態６）
図２０は、本発明の実施の形態６に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【０２１３】
図２０に示すように、本実施の形態６に係る電界放出型電子源装置は、補助電極８とターゲット３との間にシールド電極（補助電極）４４を備える点で実施の形態１に係る電界放出型電子源装置と異なる。以下では実施の形態１と同じ部分についての説明を省略する。
【０２１４】
シールド電極４４を設けることにより、補助電極８のターゲット３側の第２電極２９とターゲット３との間の耐電圧特性を向上させることができる。
【０２１５】
即ち、実施の形態１で説明した図７の電界放出型電子源装置では、補助電極８の電子増倍層２８が電子増倍作用を効果的に発揮するためには、電子増倍層２８の両側の第１電極２７及び第２電極２９に数百Ｖから数ｋＶ程度の電圧を印加する必要がある。従って、補助電極８のターゲット３側の第２電極２９は高電圧となってしまう。
【０２１６】
電界放出型電子源表示装置の場合、ターゲット３の電位は数ｋＶ程度である為、第２電極２９とターゲット３との間の電位差は余りない。
【０２１７】
ところが、ターゲット３に光電変換膜を備える電界放出型電子源撮像装置の場合、光電変換膜の補助電極８側の電位は、読み出し期間終了時にエミッタ電位とほぼ同じ０〜３Ｖ程度まで低下して安定する。このとき、補助電極８のターゲット３側の第２電極２９には数ｋＶの電圧が印加されており、０〜３Ｖ程度程度のターゲット３に対する電位差が大きいので、ターゲット３と第２電極２９との間で放電が起こる可能性がある。
【０２１８】
補助電極８とターゲット３との間にシールド電極４４を設け、シールド電極４４に所定の電位（例えば１５０Ｖ程度、但しシールド電極の位置による）を与えることにより、ターゲット３とシールド電極４４との間の電位勾配を、シールド電極４４がない場合のターゲット３と補助電極８の第２電極２９との間の電位勾配に比べて緩和させる。これにより、ターゲット３が絡む放電の発生を抑え、耐電圧特性に関する信頼性が向上した電界放出型電子源撮像装置を提供することができる。
【０２１９】
図２０では、実施の形態１で説明した図７の電界放出型電子源装置にシールド電極４４を設けた例を説明したが、本発明はこれに限定されず、上述したいずれの電界放出型電子源装置にシールド電極４４を設けても良く、その場合も上記と同様の効果が得られる。
【０２２０】
以上述べた如く、本実施の形態６では、電子増倍層を有する補助電極とターゲットとの間にシールド電極を備え、シールド電極４４に所定の電位を与えることにより、所望の電子増倍作用を得るために補助電極のターゲット側の第２電極に高電圧が印加されても、ターゲット３が絡む放電の発生を抑えることができる。従って、耐電圧特性に関して信頼性の高い電界放出型電子源装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２２１】
本発明の利用分野は特に制限はなく、例えば電界放出型電子源表示装置及び電界放出型電子源撮像装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２２２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置の断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置に使用される補助電極の概略斜視図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置に使用される補助電極のビーム通過部に形成された貫通孔を示した一部拡大斜視図である。
【図４】図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置に使用される補助電極のビーム通過部の厚さ方向の一部拡大断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置の分解斜視図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置において、電界放出型電子源アレイの一例を示した断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置に使用される補助電極の厚さ方向の一部拡大断面図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置に使用される別の補助電極の厚さ方向の一部拡大断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態１に係る別の電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態１に係る別の電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置において、電界放出型電子源アレイの別の例を示した断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態１に係る別の電界放出型電子源装置の断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態２に係る電界放出型電子源装置の断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態３に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態３に係る電界放出型電子源装置に使用される補助電極の厚さ方向の一部拡大断面図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態４に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施の形態４に係る別の電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施の形態５に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施の形態６に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図２１】図２１は、従来の電界放出型電子源アレイを用いた電界放出型電子源装置の断面図である。
【図２２】図２２は、従来の別の電界放出型電子源アレイを用いた電界放出型電子源装置の断面図である。
【図２３】図２３は、従来の別の電界放出型電子源アレイを用いた電界放出型電子源装置の断面図である。
【図２４】図２４は、従来の別の電界放出型電子源アレイを用いた電界放出型電子源装置の断面図である。
【符号の説明】
【０２２３】
１，１０１，１１５ 前面パネル
２，１０２，１１３ 陽極電極
３，１０３ ターゲット
４，２４，１０４，１１６ 側面外周器
５，１０５，１１７ 背面パネル
６，１０６ 半導体基板
７，１０９ 封着材料
７ａ フリットガラス真空封着部
７ｂ，１１９ インジウム真空封着部
８，２５ 補助電極
８ａ スペーサー部
９ ビーム通過部
１０ 電界放出型電子源アレイ
１１ａ，１１ｃ 電子ビーム
１２，１２８ ゲート電極
１３，１２６ 絶縁層
１４，１２５ エミッタ電極層
１５，１０７，１２４ 冷陰極素子（エミッタ）
２４ａ 段差
２６ フォーカス電極
２７，３１，３６ 第１電極
２８，３３，３８ 電子増倍層
２９，３４，３９，４１ 第２電極
８，３５，４０，４２ 補助電極
３２，３７ トリミング層
４３ 電圧供給ピン
４４ シールド電極
５０ ゲッター
５１ 第１空間
５２ 第２空間
５９ ＣＮＴ
６０ 集束電極
６１ ゲート電極
９０ 貫通孔
９１ 開口
９２ 電子ビーム通過行路
１０８ 周辺素子（ゲート電極及び絶縁層）
１１１ 入射光
１１２ 光電変換膜
１１４ 光電変換ターゲット
１１８ 真空容器
１２０ シールドグリッド電極
１２１ 段差
１２２ 電圧供給端子
１２３ 電圧供給用リード
１２９ 電界放出型電子源アレイ
１３３ フリットガラス封着部
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体微細加工技術の進展により、半導体などの基板にミクロンオーダーの微細な冷陰極構造を多数集積化する真空マイクロエレクトロニクス技術が注目を集めている。これらの技術によって得られる微小冷陰極構造を備えた電界放出型電子源アレイは、平面型の電子放出特性や高い電流密度が期待できること、熱陰極とは異なりヒーター等の熱源を必要としないこと等から、低消費電力型の次世代フラットディスプレイ用電子源、センサ、平面型撮像装置用電子源として期待が集まっている。
【０００３】
このような電界放出型電子源アレイを用いた真空装置としては特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４に示される電界放出型電子源表示装置や、特許文献５等に示される電界放出型電子源撮像装置や、特許文献６に示される発光素子等が知られている。
【０００４】
一般的にこのような電界放出型電子源アレイを用いた電界放出型電子源装置は、図２１に示す様に、前面パネル１０１と、背面パネル１０５と、側面外周器１０４とを備え、これらはフリットガラスやインジウム等の封着材料１０９により固着固定され、その内部が真空に保持されている。
【０００５】
前面パネル１０１の内面には、例えば外部からの入射光を透過する陽極電極１０２が形成され、その表面にターゲット１０３が形成されている。一般にターゲット１０３は、電界放出型電子源表示装置として使用される場合には３色に発光する蛍光体が規則正しく配列された蛍光体層であり、電界放出型電子源撮像装置として使用される場合には入射光を信号電荷に変換する光電変換膜である。
【０００６】
背面パネル１０５の内面には、複数の冷陰極素子（エミッタ）１０７と、各冷陰極素子１０７の周辺に形成された絶縁層及び冷陰極素子１０７から電子を取り出す為の電圧を印加するゲート電極等からなる周辺素子１０８とが集積一体化された電界放出型電子源アレイが形成された半導体基板１０６が設置されている。冷陰極素子１０７から放出された電子ビームをターゲット１０３にランディングさせることにより、電界放出型電子源表示装置では蛍光体を発光させて画像を映し出し、電界放出型電子源撮像装置では光電変換膜上に入射光として結像した画像を読み取ることができる。
【０００７】
電界放出型電子源としては、一般的に、半導体基板上に、先端が先鋭な冷陰極素子を形成し、その周りに絶縁層及びこの絶縁層上にゲート電極を形成して、冷陰極素子とゲート電極との間に電圧を印加して冷陰極素子の先端から電子放出を行なうスピント（Spindt）型を代表例として挙げることができる。その他には、カソード電極とゲート電極との間に絶縁層を形成し、絶縁層に電圧を印加してトンネル効果により電子放出を行なうＭＩＭ（Metal Insulator Metal）型、カソード電極とエミッタ電極との間に微小ギャップを設け、これら電極間に電圧を印加して微小ギャップから電子放出を行なうＳＣＥ（Surface Conduction Electron Source）型、あるいは電子源にＤＬＣ（Diamond Like Carbon）やＣＮＴ（Carbon Nanotube）等の炭素系材料を用いた電界放出型電子源を例として挙げることができる。
【０００８】
このような冷陰極を含む電界放出型電子源は、個々の冷陰極素子からの電子放出量が微量であることから、電界放出型電子源表示装置として使用する場合や、電界放出型電子源撮像装置として使用する場合には、複数の電界放出型電子源を一単位とするセル（電子源セル）を形成し、所定の動作を行うのに必要な電流量を確保している。
【０００９】
このセルは平面上に、例えばマトリクス状に配置される。詳細には、縦方向に延びた複数のエミッタラインが横方向に等ピッチで配置され、横方向に延びた複数のゲートラインが縦方向に等ピッチで配置され、これら複数のエミッタラインと複数のゲートラインとが交差する各位置にセルが配置される。電界放出型電子源装置の駆動時には、エミッタライン及びゲートラインを順次選択していくことにより、選択されたエミッタラインとゲートラインとが交差する位置のセルから電子ビームが順次放出される。本明細書では、このようにして電子ビームを放出するセルを、以下「指定セル」と呼ぶ。以上により、電界放出型電子源表示装置においては画像を映し出すことができ、電界放出型電子源撮像装置においては結像された画像を読み出すことができる。
【００１０】
電界放出型電子源では、冷陰極素子とゲート電極との間に形成される強電界により電子を電界放出するので、個々の冷陰極素子から電子は所定の広がり（この広がり角度を「発散角」といい、例えばスピント型電界放出型電子源の場合３０度程度である）をもって放出される。
【００１１】
このような電界放出型電子源を用いる真空装置においては、図２１で示した様に、電界放出型電子源アレイを真空容器の背面パネル１０５上に設置し、電界放出型電子源アレイからの電子ビームをランディングさせて所定の動作を行なうターゲット１０３を前面パネル１０１上に形成するのが一般的である。ここで、電界放出型電子源アレイからターゲット１０３までの距離は、それらが設けられた背面パネル１０５と前面パネル１０１との距離によって一意的に決定される。
【００１２】
即ち、このような従来の電界放出型電子源装置においては、背面パネル１０５上に設置された電界放出型電子源アレイと前面パネル１０１上に形成されたターゲット１０３との距離は、前面パネル１０１及び背面パネル１０５と側面外周器１０４との接合部分の精度によって、理想的な設計距離に対して大きく変化する。
【００１３】
例えば、前面パネル１０１及び背面パネル１０５と側面外周器１０４との接合がフリットガラスを用いて行われる場合には、フリットガラスの供給量のバラツキや、４００℃程度で焼成し溶着させる過程で発生するシュリンクなどが、背面パネル１０５上に設置された電界放出型電子源アレイと前面パネル１０１上に形成されたターゲット１０３との距離のバラツキを生じさせる。
【００１４】
また、前面パネル１０１及び背面パネル１０５と側面外周器１０４との接合がインジウムのような柔らかい金属を用いた低温封着にて行なわれる場合には、封着の際にインジウムを前面パネル１０１と側面外周器１０４との間、及び側面外周器１０４と背面パネル１０５との間で潰すために、インジウムの供給量やつぶし量のバラツキが、背面パネル１０５上に設置された電界放出型電子源アレイと前面パネル１０１上に形成されたターゲット１０３との距離のバラツキを生じさせる。
【００１５】
電界放出型電子源アレイとターゲット１０３との間の距離のバラツキは数百ミクロン〜数ミリの程度になる。
【００１６】
このように、従来の電界放出型電子源装置においては、背面パネル１０５上に設置された電界放出型電子源アレイと前面パネル１０１上に形成されたターゲット１０３との距離を高精度に管理することは困難である。そして、個々の冷陰極素子からは３０度程度の発散角で電子が放出される。従って、電界放出型電子源アレイとターゲット１０３との距離のバラツキは、電子ビームがターゲット１０３上に形成する電子ビームスポットの拡がり具合
（即ち、スポット径）のバラツキを生じさせる。これは均一な画像が求められる電界放出型電子源表示装置及び電界放出型電子源撮像装置にとって非常に不都合な問題である。
【００１７】
また、高精細な電界放出型電子源表示装置や高精細な電界放出型電子源撮像装置を実現するためには、電界放出型電子源アレイ上のセルのサイズを十分小さくする必要がある。この場合には、電界放出型電子源アレイとターゲット１０３との距離も十分に小さくする必要があり、更にその誤差を例えば数十ミクロン程度以下に管理する必要がある。ところが、従来の電界放出型電子源装置では、電界放出型電子源アレイとターゲット１０３との距離に数百ミクロン〜数ミリ程度のバラツキを有する可能性があるから、高精細な電界放出型電子源表示装置や高精細な電界放出型電子源撮像装置を実現することは困難である。
【００１８】
また、従来の電界放出型電子源装置においては、真空容器内を真空にした場合、前面パネル１０１が外気圧によって加圧されて湾曲する。前面パネル１０１の内面にはターゲット１０３が形成されているので、前面パネル１０１の湾曲により、電界放出型電子源アレイからの距離がターゲット１０３の中央部と周辺部とで異なることになり、この結果、ターゲット１０３上に形成される電子ビームスポット径がターゲット１０３の中央部と周辺部とで異なることになる。
【００１９】
この結果、電界放出型電子源表示装置として使用する場合には画面中央と画面周辺とで表示される画質の差が発生し、電界放出型電子源撮像装置として使用する場合には画面中央と画面周辺とで撮像される画質に差が発生する。
【００２０】
図２１とは異なり、電界放出型電子源アレイとターゲットとの間にシールドグリッド電極を設けた電界放出型電子源アレイを用いた真空装置が特許文献１及び特許文献５に示されている。
【００２１】
図２２に特許文献５に示された、電界放出型電子源撮像装置として使用される電界放出型電子源装置の断面図を示す。
【００２２】
真空容器１１８は、透光性の前面パネル１１５と、背面パネル１１７と、メッシュ状のシールドグリッド電極１２０を保持するスペーサー部を兼用した側面外周器１１６とを備え、これらはフリットガラスからなる封着材料１３３及びインジウムからなる封着材料１１９により固着固定され、その内部が真空に保持されている。
【００２３】
前面パネル１１５の内面には、外部からの入射光１１１を透過する陽極電極１１３と、その表面に形成された光電変換膜１１２とからなる光電変換ターゲット１１４が形成されている。
【００２４】
背面パネル１１７の内面には、冷陰極素子１２４と、冷陰極素子１２４に電位を供給する陰極導体１２５と、冷陰極素子１２４の周囲を囲むように陰極導体１２５上に形成された絶縁層１２６と、絶縁層１２６上に冷陰極素子１２４の周囲を囲むように配置されたゲート電極１２８とからなる電界放出型電子源アレイ１２９が形成されている。
【００２５】
光電変換ターゲット１１４と電界放出型電子源アレイ１２９との間に、シールドグリッド電極１２０が配置されている。シールドグリッド電極１２０には、ゲート電極１２８に印加される電圧よりも高い電圧が印加されている。
【００２６】
シールドグリッド電極１２０は複数の貫通孔１２０ａを備える。
【００２７】
冷陰極素子１２４の先端からは、約３０度の発散角で電子ビームが放出される。この電子ビームのうち、ほぼ真上に向かって放出された電子ビームのみがシールドグリッド電極１２０のこの冷陰極素子１２４に対応する貫通孔１２０ａを通過して光電変換ターゲット１１４に到達し、これ以外の斜めに向かって放出された電子ビームはシールドグリッド電極１２０に吸収されてしまう。
【００２８】
特許文献５には、このようにして光電変換ターゲット１１４に到達する電子ビームの拡がりを小さくすることができるとされている。
【００２９】
しかしながら、この電界放出型電子源装置は以下の問題を有する。
【００３０】
即ち、シールドグリッド電極１２０に、電界放出型電子源アレイ１２９のゲート電極１２８に印加されるゲート電圧よりも高い電圧が印加されることにより、電界放出型電子源アレイ１２９からの電子ビームは加速されて光電変換ターゲット１１４へ導かれる。しかし、電界放出型電子源アレイ１２９からの電子ビームのほとんどはシールドグリッド電極１２０に衝突し吸収されてしまい、光電変換ターゲット１１４へ到達する電子ビームは極めて微量である。
【００３１】
光電変換ターゲット１１４へ到達する電子ビームの量が少ないと、ターゲットに蛍光体を備えた電界放出型電子源表示装置においては画像の輝度が不足しコントラストが低くなってしまい、ターゲットに光電変換膜を備えた電界放出型電子源撮像装置においては光電変換膜に蓄積された正孔の一部を読み出すことができないために撮像画像に残像が多くなってしまう。
【００３２】
この問題を克服するために電界放出型電子源アレイとターゲットとの間に、多数の貫通孔が形成され、且つ電子増倍機能を有するメッシュ状構造体を配置した電界放出型電子源装置が特許文献１（図２３参照）及び特許文献７（図２４参照）に開示されている。
【００３３】
このような電界放出型電子源装置では、電界放出型電子源アレイから放射された電子ビームのほとんどは、電子増倍機能を有するメッシュ状構造体に衝突する。この衝突によって、２次電子放出が起こり、電子が増倍される。増倍された電子はメッシュ状構造体の貫通孔を通過してターゲットに導かれる。従って、ターゲットに到達する電子ビーム量を十分に確保することができる。
【００３４】
しかしながら、これらの従来の電界放出型電子源装置は以下のような問題を有している。
【００３５】
特許文献１（図２３参照）の電界放出型電子源装置では、メッシュ状構造体２１０の全外周面、即ち、電界放出型電子源アレイ２００に対向した面、ターゲット２２０に対向した面、及びメッシュ状構造体２１０に形成された貫通孔２１１の内周壁面に、２次電子増倍機能を有する材料が付与されている。従って、例えば、電界放出型電子源アレイ２００からの電子ビームがメッシュ状構造体２１０の貫通孔２１１を通過する際に貫通孔２１１の内周壁面に衝突して発生した２次電子が、ターゲット２２０へ到達せずにターゲット２２０に対向した面に衝突すると更に２次電子が放出される。
【００３６】
放出されたこの電子の進行方向はまちまちであり、その多くはターゲット２２０の所望の位置に到達しない。従って、例えば３色の蛍光体が交互に塗布されたターゲット２２０を備えた電界放出型電子源表示装置においては、電子が所望する蛍光体以外の蛍光体に到達することによって色純度が劣化するという問題が発生する。
【００３７】
特許文献７（図２４参照）の電界放出型電子源装置では、電子増倍機能を有するメッシュ状構造体３１０とターゲット３２０が設けられた前面パネル３２１との間に絶縁材料からなる仕切板３１５が設けられている。従って、メッシュ状構造体３１０に形成された複数の貫通孔３１１をそれぞれ通過した電子ビームは、互いに混じり合うことなく、ターゲット３２０上の所望する位置に到達する。従って、上記図２３の電界放出型電子源装置が有する上記の問題は発生しない。
【００３８】
しかし、図２４の電界放出型電子源装置では、電界放出型電子源アレイ３００に設けられた複数のセルと、メッシュ状構造体３１０に形成された複数の貫通孔３１１と、ターゲット３２０上の複数の画素とが、一対一に対応する。従って、隣り合う画素間に、メッシュ状構造体３１０とターゲット３２０とを繋ぐように仕切板３１５を形成する必要があり、その製作は非常に複雑で高コストである。
【００３９】
また、仕切板３１５が絶縁材料からなるので、メッシュ状構造体３１０の貫通孔３１１を通過した電子ビームが仕切板３１５に衝突すると、仕切板３１５の電位が不安定になり、その結果、耐電圧特性が劣化するという問題がある。
【００４０】
このように、電子増倍機能を有する構造体を配置した従来の電界放出型電子源装置は種々の問題を有しており、実用化のためには更なる改良が必要である。
【特許文献１】特開平９−２７０２２９号公報
【特許文献２】特開平９−６９３４７号公報
【特許文献３】特開平６−１１１７３５号公報
【特許文献４】特開２０００−２５１８０８号公報
【特許文献５】特開２０００−４８７４３号公報
【特許文献６】特開２００２−３１３２６３号公報
【特許文献７】特開２００４−２２７８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４１】
本発明は上記の従来の電界放出型電子源装置が有する問題を解決することを目的とする。
【００４２】
即ち、本発明は、ターゲットに到達する電子ビームの不足による低コントラストな表示画像や残像の多い撮像画像という問題を克服した電界放出型電子源装置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】
【００４３】
本発明の電界放出型電子源装置は、電界放出型電子源アレイと、前記電界放出型電子源アレイから放出された電子ビームにより所定の動作を行なうターゲットと、前記電界放出型電子源アレイと前記ターゲットとの間に配置され、前記電界放出型電子源アレイから放出された前記電子ビームが通過する複数の貫通孔が形成された補助電極とを有する。
【００４４】
前記複数の貫通孔のそれぞれは、前記電界放出型電子源アレイ側の開口と、前記開口から連続した電子ビーム通過行路とを有する。
【００４５】
前記電子ビーム通過行路の少なくとも一部に、入射した電子ビームを増倍させる電子増倍層が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、ターゲットに到達する電子ビームの不足による低コントラストな表示画像や残像の多い撮像画像という問題を克服した電界放出型電子源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
本発明の第１の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置は、電界放出型電子源アレイと、前記電界放出型電子源アレイから放出された電子ビームにより所定の動作を行なうターゲットと、前記電界放出型電子源アレイと前記ターゲットとの間に配置され、前記電界放出型電子源アレイから放出された前記電子ビームが通過する複数の貫通孔が形成された補助電極とを有する。前記複数の貫通孔のそれぞれは、前記電界放出型電子源アレイ側の開口と、前記開口から連続した電子ビーム通過行路とを有する。前記電子ビーム通過行路の少なくとも一部に、入射した電子ビームを増倍させる電子増倍層が設けられている。前記補助電極の前記ターゲット側には、２次電子放出係数が小さい材料からなる電子吸収層が設けられている。
【００４８】
かかる第１の好ましい形態では、補助電極の複数の貫通孔の電子ビーム通過行路の少なくとも一部に、入射した電子ビームを増倍させる電子増倍層が設けられている。従って、電界放出型電子源アレイから放出され補助電極に入射した電子ビームは、電子ビーム通過行路の少なくとも一部（例えば、電子ビーム通過行路の中央部分、後半部分、又は全体）に設けられた電子増倍層により２次電子を発生させることにより増倍され、補助電極から出射してターゲットに到達する。
【００４９】
これにより、電界放出型電子源表示装置においては、例えばターゲットに備えられた蛍光体の発光強度を増加させることができるので、コントラストを向上することができる。また、電界放出型電子源撮像装置においては、例えばターゲットに備えられた光電変換膜に到達する電子ビーム量が増加するので、残像を少なくすることができる。
【００５０】
また、補助電極のターゲット側には、２次電子放出係数が小さい材料からなる電子吸収層が設けられているので、ターゲットへ到達せずに補助電極へ戻ってきた電子は電子吸収層により捕獲される。従って、更に余分な２次電子が発生することはなく、余分な電子がターゲットの所望する位置以外に到達することもない。従って、電界放出型電子源表示装置においては電子が所望する蛍光体以外の蛍光体に到達することによって色純度が劣化することがなく、電界放出型電子源撮像装置においては解像度が劣化することがない。また、図２４に示した従来の電界放出型電子源装置のように、補助電極とターゲットとの間に仕切板を設ける必要がない。よって、仕切板の複雑な製作工程が不要となり、コスト上昇を抑えることができる。また、仕切板の電位が不安定になり、その結果、耐電圧特性が劣化するという問題も発生せず、信頼性が向上する。
【００５１】
また、ターゲットに到達する電子ビーム量を増大させる必要がない場合には、電界放出型電子源アレイから放出される電子ビーム量を少なくすることができるので、電界放出型電子源アレイのエミッタ電位とゲート電位との電圧差を小さくすることができる。これにより、耐電圧特性が向上し、信頼性の高い電界放出型電子源装置を提供することができる。
【００５２】
本発明の第２の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第１の好ましい形態において、前記電子ビーム通過行路の、前記電子増倍層に対して前記電界放出型電子源アレイ側の少なくとも一部に、所定の速度ベクトルを有する電子ビームのみを選択的に前記電子ビーム通過行路の側壁で吸収し除去するトリミング層が更に設けられている。
【００５３】
かかる第２の好ましい形態によれば、電子増倍層に入射する電子ビームの広がりを小さくすることができる。
【００５４】
即ち、電界放出型電子源アレイの指定セルから放出された電子ビームは、所定の広がりを持っている。従って、電子ビームは、この指定セルの真上に位置する補助電極の貫通孔のみならず、この貫通孔の近傍（即ち、この指定セルの斜め上方）に位置する補助電極の貫通孔にも入射する。従って、電子ビーム通過行路の、特に電界放出型電子源アレイに近い領域に電子増倍層が設けられていると、指定セルの斜め上方に位置する貫通孔内においても電子増倍されて、これらの貫通孔からも多数の電子ビームがターゲットに向かって出射されることになる。これにより、ターゲット上に大きな電子ビームスポットが形成されてしまう。この結果、電界放出型電子源表示装置や電界放出型電子源撮像装置の解像度が著しく劣化してしまう。
【００５５】
本発明の第２の好ましい形態では、電子ビーム通過行路の、電子増倍層の前段（即ち、電界放出型電子源アレイ側）にトリミング層が更に設けられているので、電子ビームが電子増倍層に到達する前に、電子ビーム通過行路の延設方向と異なる方向に進行する電子ビームをトリミング層で吸収除去することができる。この結果、指定セルの真上に位置する補助電極の貫通孔から出射する電子ビーム量を電子増倍層の作用によって増倍させながら、指定セルの斜め上方に位置する補助電極の貫通孔から出射する電子ビーム量をトリミング層の作用によって抑制することで、大きな電流値を有する電子ビームをターゲットに導き、ターゲット上に小さな電子ビームスポットを形成することができる。
【００５６】
本発明の第３の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第２の好ましい形態において、前記電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、前記トリミング層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向が傾斜している。
【００５７】
かかる第３の好ましい形態によれば、より効果的に電子増倍を行なうことができる。
【００５８】
即ち、電子増倍層により２次電子増倍を行なうためには電子ビームを電子増倍層の側壁に効率良く衝突させる必要があり、そのためには電子ビームの進行方向を表す速度ベクトルに対して、電子増倍層の側壁が傾斜していることが好ましい。
【００５９】
第３の好ましい形態では、電子増倍層が設けられた電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、トリミング層が設けられた電子ビーム通過行路の部分の延設方向が傾斜しているので、トリミング層を吸収除去されずに通過した電子ビームをほぼ確実に、トリミング層の後段に配された電子増倍層の側壁に衝突させることができる。従って、効率よく電子増倍がなされる。
【００６０】
これにより、電界放出型電子源表示装置においては、例えばターゲットに備えられた蛍光体の発光強度をより増加させることができるので、コントラストを一層向上することができる。また、電界放出型電子源撮像装置においては、例えばターゲットに備えられた光電変換膜に到達する電子ビーム量がより増加するので、残像を一層少なくすることができる。
【００６１】
また、ターゲットに到達する電子ビーム量を増大させる必要がない場合には、電界放出型電子源アレイから放出される電子ビーム量をより少なくすることができるので、電界放出型電子源アレイのエミッタ電位とゲート電位との電圧差をより小さくすることができる。これにより、耐電圧特性が一層向上し、信頼性の一層高い電界放出型電子源装置を提供することができる。
【００６２】
本発明の第４の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第１の好ましい形態において、前記電子増倍層が、前記電子ビーム通過行路の互いに異なる領域に設けられた第１電子増倍層及び第２電子増倍層を少なくとも含み、前記第１電子増倍層と前記第２電子増倍層とは２次電子増倍係数が互いに異なる材料からなる。
【００６３】
かかる第４の好ましい形態によれば、特定方向に進行する電子ビームのみを選択するトリミング作用と電子増倍作用とを適宜組み合わせることにより、ターゲットに到達する電子ビームの拡がり及び電流量の設定が容易になる。
【００６４】
一般に、電子増倍層の２次電子放出作用は、電子増倍層の面に対する電子の入射角（電子増倍層の面の法線に対する角度）が大きいほど大きく、入射角が小さいほど小さい。
【００６５】
従って、例えば、電子ビーム通過行路において、２次電子増倍係数が小さな第１電子増倍層を電界放出型電子源アレイに近い領域に配置し、２次電子増倍係数が第１電子増倍層より大きな第２電子増倍層を第１電子増倍層よりターゲットに近い領域に配置する。これにより、電子ビームの電流値を比較的大きくすることができ、且つ、ターゲットでの電子ビームのスポット径を小さくすることができる。
【００６６】
即ち、電界放出型電子源アレイの指定セルから所定の広がりを持って放出された電子ビームは、この指定セルの真上に位置する補助電極の貫通孔のみならず、この貫通孔の近傍（即ち、この指定セルの斜め上方）に位置する補助電極の貫通孔にも入射する。
【００６７】
指定セルの真上に位置する補助電極の貫通孔に入射した電子ビームの電子ビーム通過行路の側壁に対する入射角は、貫通孔の入射側開口の近傍の領域において相対的に大きい。この領域に２次電子増倍係数が相対的に小さな第１電子増倍層が配されていても、電子ビームの入射角が大きいので、多くの２次電子放出が行われ、電子ビーム量が増大する。この電子ビームは電子ビーム通過行路に沿って進行し、第１電子増倍層よりもターゲット側に配された、２次電子増倍係数が相対的に大きな第２電子増倍層の側壁に入射する。このとき、電子ビームの第２電子増倍層の側壁に対する入射角は小さいので、第２電子増倍層が大きな２次電子増倍係数を有することと相俟って、次々に極めて大きな２次電子放出が行われ、電子ビーム量が飛躍的に増大する。
【００６８】
一方、指定セルの斜め上方に位置する補助電極の貫通孔に入射した電子ビームの電子ビーム通過行路の側壁に対する入射角は、貫通孔の入射側開口の近傍の領域において相対的に小さい。従って、この領域に２次電子増倍係数が相対的に小さな第１電子増倍層が配されていることと相俟って、２次電子放出はほとんど行われず、電子ビーム量はほとんど変化しない。この電子ビームは電子ビーム通過行路に沿って進行し、第１電子増倍層よりもターゲット側に配された、２次電子増倍係数が相対的に大きな第２電子増倍層の側壁に入射する。このとき、電子ビームの第２電子増倍層の側壁に対する入射角は小さいが、側壁に入射する電子ビーム量が少ないために電子ビーム量の増加も少ない。
【００６９】
このようにして、指定セルの真上に位置する補助電極の貫通孔から出射する電子ビーム量のみを増倍させることができる。この結果、大きな電流値を有する電子ビームをターゲットに導き、ターゲット上に小さな電子ビームスポットを形成することができる。
【００７０】
上記とは逆に、電子ビーム通過行路において、２次電子増倍係数が大きな第２電子増倍層を電界放出型電子源アレイに近い領域に配置し、２次電子増倍係数が第２電子増倍層より小さな第１電子増倍層を第２電子増倍層よりターゲットに近い領域に配置しても良い。これにより、小さな指定セルから所定の広がりを持って放出された電子ビームを補助電極の複数の貫通孔からそれぞれ出射させて、ターゲット上に大きな電子ビームスポットを形成することができる。しかも、補助電極の複数の貫通孔からそれぞれ出射した電子ビームの進行方向は鉛直方向にほぼ揃えられており、且つ、全体として大きな電流値を有する電子ビームをターゲットに導くことができる。この電界放出型電子源装置は、電界放出型電子源表示装置及び電界放出型電子源撮像装置以外の用途にも利用することが可能である。
【００７１】
本発明の第５の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第１の好ましい形態において、前記電子増倍層が、前記電子ビーム通過行路の互いに異なる領域に設けられた第１電子増倍層及び第２電子増倍層を少なくとも含み、前記第１電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、前記第２電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向が傾斜している。
【００７２】
かかる第５の好ましい形態によれば、より効果的に電子増倍を行なうことができる。
【００７３】
即ち、電子増倍層により２次電子増倍を行なうためには電子ビームを電子増倍層の側壁に効率良く衝突させる必要があり、そのためには電子ビームの進行方向を表す速度ベクトルに対して、電子増倍層の側壁が傾斜していることが好ましい。
【００７４】
第５の好ましい形態では、第１電子増倍層が設けられた電子ビーム通過行路の部分に対して、第２電子増倍層が設けられた電子ビーム通過行路の部分が傾斜しているので、補助電極の貫通孔に入射した電子ビームは、第１電子増倍層の側壁に衝突して２次電子放出により電子ビーム量が増大し、次いで、第１電子増倍層の側壁に対して傾斜した第２電子増倍層の側壁に衝突して２次電子放出により電子ビーム量が爆発的に増大する。従って、効率よく電子増倍がなされる。
【００７５】
これにより、電界放出型電子源表示装置においては、例えばターゲットに備えられた蛍光体の発光強度をより増加させることができるので、コントラストを一層向上することができる。また、電界放出型電子源撮像装置においては、例えばターゲットに備えられた光電変換膜に到達する電子ビーム量がより増加するので、残像を一層少なくすることができる。
【００７６】
また、ターゲットに到達する電子ビーム量を増大させる必要がない場合には、電界放出型電子源アレイから放出される電子ビーム量をより少なくすることができるので、電界放出型電子源アレイのエミッタ電位とゲート電位との電圧差をより小さくすることができる。これにより、耐電圧特性が一層向上し、信頼性の一層高い電界放出型電子源装置を提供することができる。
【００７７】
本発明の第６の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第２の好ましい形態において、前記電子ビーム通過行路の、前記電子増倍層に対して前記ターゲット側の少なくとも一部に、所定の速度ベクトルを有する電子ビームのみを選択的に吸収し除去する第２トリミング層が更に設けられている。前記電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、前記第２トリミング層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向が傾斜している。
【００７８】
かかる第６の好ましい形態によれば、電界放出型電子源アレイから放出され貫通孔に入射した電子ビームが電界放出型電子源アレイ側に配された第１トリミング層を通過する際に、その進行方向が第１トリミング層が設けられた電子ビーム通過行路の部分の延設方向と異なる電子ビームが第１トリミング層の側壁に入射して吸収除去される。
【００７９】
吸収除去されなかった電子ビームは、次に、第１トリミング層に対してターゲット側に配された電子増倍層を通過する。電子増倍層が設けられた電子ビーム通過行路の部分の延設方向は、第１トリミング層が設けられた電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、傾斜しているので、電子ビームは電子増倍層の側壁に効率よく衝突して２次電子放出が起こり、電子ビーム量が増大する。
【００８０】
次に、電子増倍作用を受けた電子ビームは、電子増倍層に対してターゲット側に配された第２トリミング層を通過する。電子ビームのうち、その進行方向が第２トリミング層が設けられた電子ビーム通過行路の部分の延設方向と異なる電子ビームは第２トリミング層の側壁に入射して吸収除去される。
【００８１】
かくして、その進行方法が第２トリミング層が設けられた電子ビーム通過行路の部分の延設方向とほぼ平行である電子ビームのみが補助電極の貫通孔から出射する。即ち、その進行方向が揃えられた電子ビームが、広がりをほとんど持たないでターゲットに向かって補助電極から出射される。しかも、電子増倍層の作用により、電子ビームは大きな電流値を有している。
【００８２】
このように、第６の好ましい形態によれば、大きな電流値を有する電子ビームをターゲットに導き、ターゲット上に小さな電子ビームスポットを形成することができる。これにより、高解像度で高輝度の電界放出型電子源表示装置や、高解像度で残像の少ない電界放出型電子源撮像装置を提供することができる。
【００８３】
本発明の第７の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第１の好ましい形態において、前記補助電極と前記ターゲットとの間に、前記補助電極と前記ターゲットとの間の電圧差を緩和する第２補助電極を更に有する。
【００８４】
かかる第７の好ましい形態によれば、補助電極とターゲットとの間の耐電圧特性を向上させることができる。
【００８５】
即ち、補助電極の電子増倍層に、その電子増倍作用を効果的に発揮させるためには、電子増倍層の電界放出型電子源アレイ側端とターゲット側端との間に電位差を付与することが好ましい。この電位差は少なくとも数百Ｖであることが好ましく、このとき補助電極のターゲット側の面の電位は数百Ｖ以上となる可能性がある。
【００８６】
例えばターゲットに光電変換膜を備えた電界放出型電子源撮像装置においては、ターゲットの電子走査面の電位は、エミッタ電位まで下がるため、補助電極とターゲットとの互いに対向する面間の電位差は数百Ｖ以上となる。一方、一般に、電界放出型電子源装置では、ターゲット上での電子ビームスポットは小さいことが望まれ、このために、補助電極とターゲットとの間の距離はなるべく短く設定される。従って、補助電極とターゲットとの間の耐電圧特性が問題となる。
【００８７】
第７の好ましい形態によれば、補助電極とターゲットとの間に、補助電極とターゲットとの間の電圧差を緩和する第２補助電極が設けられているので、補助電極とターゲットとの間での放電の発生を抑制することができる。また、仮に補助電極から放電が発生しても、放電は第２補助電極で阻止されてターゲットに達するのを防止できる。
【００８８】
かくして、動作時に放電が発生しない、または、仮に放電が発生しても電界放出型電子源装置の動作に影響を与えない、信頼性の高い電界放出型電子源装置を提供することができる。
【００８９】
本発明の第８の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置は、上記第１の好ましい形態において、更に、前記電界放出型電子源アレイが形成された基板を有する。前記補助電極は、前記電界放出型電子源アレイと前記複数の貫通孔の前記開口とを離間させるスペーサー部を一体に備える。前記補助電極は前記スペーサー部を介して前記基板上に設置されている。
【００９０】
かかる第８の好ましい形態によれば、電界放出型電子源アレイと補助電極の電界放出型電子源アレイ側の開口との距離のバラツキを少なくし、高精度に設定することができる。例えば、図２２に示した従来の電界放出型電子源装置では、電界放出型電子源アレイ１２９とグリッド電極１２０との距離は、電界放出型電子源アレイ１２９が形成された背面パネル１１７と側面外周器１１６との接着精度（即ち、低融点フリットガラス１３３の厚みバラツキ）、側面外周器１１６の段部１２１とシールドグリッド電極１２０との接着精度（即ち、低融点フリットガラスの厚みバラツキ）、及び、側面外周器１１６の背面パネル１１７と接着される下面から段部１２１までの寸法の製作精度（即ち、寸法バラツキ）の３つのバラツキによって変化する。
【００９１】
これに対して、本発明の第８の好ましい形態では、補助電極がスペーサー部を一体に備えているので、電界放出型電子源アレイと補助電極の電界放出型電子源アレイ側の開口との距離は、電界放出型電子源アレイとスペーサー部との間の接着精度、及びスペーサー部の厚みの製作精度（即ち、寸法バラツキ）の２つのバラツキによって変化する。即ち、精度が最も劣る低融点フリットガラスによる接着部分がない。従って、電界放出型電子源アレイと補助電極の電界放出型電子源アレイ側の開口との距離精度が向上する。
【００９２】
また、本発明の第８の好ましい形態によれば、補助電極の機械的強度が向上する。
【００９３】
即ち、例えばＶＧＡ（水平方向６４０ドット×垂直方向４８０ドット）、外形対角サイズが１インチの電界放出型電子源撮像装置を考えると、一つの画素のサイズは０．０２ｍｍ程度となる。補助電極の厚みは、その機能を考慮すると１画素のサイズの１倍〜１０倍程度が適当と思われるので、０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍ程度になる。補助電極の寸法は１２ｍｍ×１０ｍｍよりも若干大きい程度であり、この補助電極に多数の貫通孔が形成されていることを考慮すれば、補助電極の機械的強度は非常に小さい。従って、電界放出型電子源装置の組み立て工程における補助電極の単体での取り扱いは、その機械的強度不足故に、非常に困難である。
【００９４】
ところが、本発明の第８の好ましい形態では、補助電極は、その周囲に枠状のスペーサー部を一体に備えている。従って、スペーサー部が補助電極の機械的強度を向上させるので、電界放出型電子源装置の組み立て工程における補助電極の単体での取り扱いの困難性という問題が解消される。
【００９５】
本発明の第９の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第８の好ましい形態において、前記スペーサー部と前記基板とは導電性材料を用いて接合されており、前記導電性材料を介して前記基板から前記補助電極の少なくとも一部に給電されている。
【００９６】
かかる第９の好ましい形態によれば、補助電極への電圧供給を、電界放出型電子源アレイが形成された基板から行うことが可能になり、電圧供給のためのワイヤーボンディングが不要になる。従って、ワイヤーボンディングを行うための費用を省くことができ、またワイヤーボンディングした場合のワイヤー倒れ等の不良の発生を回避することができる。
【００９７】
本発明の第１０の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第１の好ましい形態において、前記電子ビーム通過行路の延設方向に垂直な方向に沿った断面形状は、円形、楕円形、いずれの内角も９０度より大きな多角形、または隣り合う辺が円弧で接続された多角形である。
【００９８】
かかる第１０の好ましい形態によれば、補助電極を容易に製作することができる。
【００９９】
例えば、開口の端縁形状が、いずれの内角も９０度である長方形（又は正方形）である場合には、開口の端縁の四隅部分に応力が集中して、貫通孔の形成時にこの四隅部分で補助電極が割れるという問題が発生しやすい。
【０１００】
第１０の好ましい形態のように、開口の端縁形状が、円形、楕円形、いずれの内角も９０度より大きな５角形以上の多角形、または隣り合う辺が円弧で接続された多角形であると、応力集中が緩和されるので、貫通孔の形成時にトリミング電極が割れにくくなり、製作が容易になる。
【０１０１】
補助電極の製作が容易であることは、補助電極の製作歩留まりが向上することを意味し、安価な補助電極を提供することができる。よって、安価な電界放出型電子源装置を提供することができる。
【０１０２】
また、補助電極の機械的強度が向上することにより、単体での取り扱い性が容易になるので、電界放出型電子源装置の組立が容易となる。この点からも、安価な電界放出型電子源装置を提供することができる。
【０１０３】
本発明の第１１の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置では、上記第１の好ましい形態において、前記電界放出型電子源アレイは、それぞれが電子を放出する複数の電子源を備えたセルを複数有し、前記開口は前記セルよりも小さく、前記開口と前記セルとが垂直方向に多対一に対応するように前記電界放出型電子源アレイと前記補助電極とが配置されており、前記セルから放出された電子ビームは、対応する前記開口に入り、前記電子ビーム通過行路を通過して、前記ターゲットに入射する。
【０１０４】
かかる第１１の好ましい形態によれば、１つのセルに対してこれより小さな開口を有する貫通孔が複数配置されている。従って、セルから放出された電子ビームを補助電極を用いてより選択的にトリミングできるので、ターゲットでの電子ビームのスポット径をより小さくすることができる。その結果、高精細な電界放出型電子源表示装置及び電界放出型電子源撮像装置を提供できる。
【０１０５】
本発明の第１２の好ましい形態に係る電界放出型電子源装置は、上記第１の好ましい形態において、電界放出型電子源アレイと前記補助電極との間に、前記電界放出型電子源アレイから放出された前記電子ビームを予備集束する予備集束電極を更に有する。
【０１０６】
かかる第１２の好ましい形態によれば、電界放出型電子源アレイから放出された電子ビームは予備集束電極により予備集束されることで、その広がりが狭められて補助電極の貫通孔に入射する。
【０１０７】
従って、個々の電子ビームの進行方向は、鉛直方向と平行な方向に近づき、貫通孔の電子ビーム通過行路の延設方向と平行な方向に近づく。従って、電子ビームは、補助電極の貫通孔を通過しやすくなる。
【０１０８】
従って、第１２の好ましい形態では、予備集束しない場合に比べて、ターゲット上での電子ビームスポットが小さくなるので、更に高解像度の電界放出型電子源表示装置や更に高解像度の電界放出型電子源撮像装置を提供することができる。
【０１０９】
以下、本発明を、実施の形態を示しながら詳細に説明する。
【０１１０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置の断面図である。
【０１１１】
図１に示すように、本実施の形態１に係る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５と、側面外周器４とで形成された真空容器を備える。前面パネル１と側面外周器４、及び、背面パネル５と側面外周器４は、例えば高温焼成用のフリットガラスや、低温封着用のインジウムなどの真空封着材７により固着され封着されて、真空容器内は真空に保たれている。以下の説明の便宜のために、前面パネル１及び背面パネル５の法線方向と平行な軸をＺ軸と呼ぶ。
【０１１２】
背面パネル５の内面上には、電界放出型電子源アレイ１０が形成された半導体基板６が設置されている。半導体基板６上には、スペーサー部８ａを一体に備える補助電極８が設置固定されている。前面パネル１の補助電極８と対向する内面上には、透光性の陽極電極２とターゲット３とが形成されている。ターゲット３は、電界放出型電子源アレイから放出された電子を受け取り所定の有益な動作を行なう層であり、例えば蛍光体層又は光電変換膜である。
【０１１３】
前面パネル１、背面パネル５、側面外周器４からなる真空容器内には、余分なガスを吸着除去することにより、内部を高真空に保持する為のゲッターポンプ（図示せず）が設置されている。
【０１１４】
図２は補助電極８の電界放出型電子源アレイに対向する側の面から見た概略斜視図である。補助電極８は、略平板状の電極であり、中央の薄肉のビーム通過部９と、ビーム通過部９の周囲に連続して形成され、ビーム通過部９よりも厚い枠状のスペーサー部８ａとを備える。ビーム通過部９には複数の貫通孔が形成されている。
【０１１５】
スペーサー部８ａは、補助電極８の単体での機械的強度を向上させる機能と、電界放出型電子源アレイとビーム通過部９に形成された複数の貫通孔の開口とを離間し、且つ両者間の距離を高精度に維持する機能とを備えている。
【０１１６】
図３は補助電極８のビーム通過部９の一部拡大斜視図である。ビーム通過部９には、電界放出型電子源アレイから放出された電子ビームが通過するための、ビーム通過部９の表裏を貫通する多数の貫通孔９０が形成されている。多数の貫通孔９０は格子点状に配置されている。
【０１１７】
図４（Ａ）はビーム通過部９のＺ軸方向の一部拡大断面図である。各貫通孔９０は、ビーム通過部９の電界放出型電子源アレイ側の面に形成された開口９１と、開口９１からビーム通過部９の厚さ方向に連続した電子ビーム通過行路９２とを備えている。本明細書において、開口９１とは、貫通孔９０のうち、ビーム通過部９の電界放出型電子源アレイ側の面上に含まれる部分を意味し、Ｚ軸方向成分は含まれない。また、電子ビーム通過行路９２とは、貫通孔９０のうち、ビーム通過部９の表裏面間の間の部分を意味する。
【０１１８】
電子ビーム通過行路９２の長さは、開口９１の径Ｄよりも十分に大きい。ここで、電子ビーム通過行路９２の長さとは、電子ビーム通過行路９２に沿った長さを意味する。従って、電子ビーム通過行路９２が屈曲している場合にはビーム通過部９のＺ軸方向の厚さより長くなる。
【０１１９】
図５は、本実施の形態１に係る電界放出型電子源装置の分解斜視図である。図５を用いて、電界放出型電子源装置の組み立て方法の一例を簡単に説明する。
【０１２０】
背面パネル５上にフリットガラス７ａを付与し、この上に環状の側面外周器４を載置して、約４００℃程度の高温で焼成して、背面パネル５と側面外周器４とをフリットガラス７ａを介して接合する。
【０１２１】
補助電極８のスペーサー部８ａと半導体基板６とを例えば陽極接合や共晶接合などの接合方法により接合する。背面パネル５上の側面外周器４で囲まれた部分に、補助電極８が搭載された半導体基板６を、ダイボンディングして設置固定する。
【０１２２】
ビーム通過部９への給電は、半導体基板６から、補助電極８のスペーサー部８ａと半導体基板６との接合部及びスペーサー部８ａを介して行われる。補助電極８へ給電するための半導体基板６上の配線パターンは、背面パネル５上に形成された配線パターンとワイヤーボンディング（図示せず）により接続される。これにより、補助電極８への給電は、真空容器の外側より行なうことができる。
【０１２３】
半導体基板６上には、複数のセルをマトリクス状に並べた電界放出型電子源アレイが形成されている。各セルは、複数（例えば１００個）の冷陰極素子（エミッタ）を含む。
【０１２４】
半導体基板６上の電界放出型電子源アレイの複数のセルと、補助電極８の複数の貫通孔９０とは一対一に対応している。各セルの中心を通るＺ軸と平行な軸が、このセルと対応する補助電極８の貫通孔９０のほぼ中心を通るように（例えば、本実施の形態では、セルの中心を通るＺ軸と平行な軸に対する貫通孔９０の中心の位置ずれ量が３μｍ程度以下となるように）、半導体基板６と補助電極８とは高精度に位置合わせされる。
【０１２５】
このようにして組み立てられた背面パネル５、側面外周器４、補助電極８、及び半導体基板６からなる背面パネル構造体は、真空装置内で約１２０℃〜３５０℃程度の温度でガス出しの為の空焼きされる。
【０１２６】
空焼きが済んだ背面パネル構造体は、真空内にて、前面パネル１と、インジウムを付着させた金属リング７ｂにより接合一体化されて、内部が真空に封着された真空容器となる。
【０１２７】
半導体基板６上に形成される電界放出型電子源アレイは、図６に示される様に、先端が先鋭化された冷陰極素子（エミッタ）１５と、冷陰極素子１５の周辺に形成された絶縁層１３と、絶縁層１３上に設けられ、冷陰極素子１５を取り囲む開口が形成されたゲート電極１２等からなる多数のエミッター部が集積されてなる。
【０１２８】
電界放出型電子源アレイは、例えばＶＧＡ（水平方向６４０ドット×垂直方向４８０ドット）の撮像を行なう平面型撮像装置であれば、マトリックス状に配置された各画素位置に縦横方向寸法がいずれも２０μｍ程度の１つのセルがそれぞれ配置される。ゲート電極１２は、水平方向（又は垂直方向）に延びたストライプ状に複数形成され、エミッタ電極１４は、ゲート電極１２の長手方向と直交する方向に延びたストライプ状に複数形成される。Ｚ軸と平行な方向から見て、複数のゲート電極１２と複数のエミッタ電極１４との交点位置にセルが１つずつ配置される。各セルには、エミッタ電極１４上の縦横方向寸法がいずれも１０μｍ程度の領域内に複数の冷陰極素子１５がほぼ均等に分布するように配置されている。
【０１２９】
同一セル内の複数の冷陰極素子１５には例えば３０Ｖの基準電位から０Ｖに低下するパルス状のエミッタ電位が印加され、冷陰極素子１５を取り囲む絶縁層１３上に形成されたゲート電極１２には例えば３０Ｖの基準電位から中位の６０Ｖに上昇するパルス状のゲート電位が印加される。冷陰極素子１５とゲート電極１２との間に形成される電位差により、冷陰極素子１５の先端から電子が放出される。
【０１３０】
ゲート電極１２及びエミッタ電極１４は、背面パネル６上に、真空容器の内外を繋ぐように形成された配線パターンと接続されている。冷陰極素子１５に与えられるエミッタ電位及びゲート電極１２に与えられるゲート電位は、真空容器の外側からこの配線パターンを介して供給される。
【０１３１】
補助電極８には、ゲート電極１２に印加される最大電圧よりも若干高い、中位の１５０〜５００Ｖ程度の電圧が印加される。電界放出型電子源アレイから、補助電極８のビーム通過部９に形成された複数の貫通孔の電界放出型電子源アレイ側の面までの距離は１００μｍ程度である。
【０１３２】
補助電極８へ印加される電圧が高すぎると、補助電極８と電界放出型電子源アレイとの間の耐電圧特性上の問題を引き起こす可能性がある。更に、電界放出型電子源撮像装置として使用する場合にはターゲット３との間での耐電圧特性も問題となる可能性がある。逆に、補助電極８へ印加される電圧が低すぎると、電界放出型電子源アレイから放出された電子ビームを加速させる効果が薄れ、電子ビームの発散角が大きくなってしまい、補助電極８を通過する電子ビーム量が少なくなり、電子ビームの電流量を十分確保できない可能性がある。このため、発明者らは実験を通じて補助電極８へ印加される電圧の好適値が上述の範囲であることを確認している。
【０１３３】
ターゲット３は補助電極８から１５０〜数百μｍ程度離れて配置される。前面パネル１とターゲット３との間には、透明な陽極電極２が形成されている。陽極電極２には補助電極８に印加される電圧よりも高い、高位の例えば数１００Ｖ〜数ｋＶ程度の電圧が前面パネル１を貫通する電極４３（図５参照）を介して印加される。
【０１３４】
電界放出型電子源アレイの冷陰極素子１５とゲート電極１２とにそれぞれ所定の電圧を印加すると、冷陰極素子１５から電子ビーム１１ａが放出される。電子ビーム１１ａは、電界放出型電子源アレイからＺ軸方向に１００μｍ程度離れた、１００μｍ程度の厚みを有する補助電極８の貫通孔９０の開口９１に入射し、開口９１から連続する電子ビーム通過行路９２内を通過する。そして、補助電極８から出射した電子ビームは、補助電極から１５０〜数百μｍ程度離れたターゲット３に到達する。
【０１３５】
補助電極８にはスペーサー部８ａが一体に形成されており、補助電極８のスペーサー部８ａは電界放出型電子源アレイが形成された半導体基板６上に直接設置される。これにより、電界放出型電子源アレイと補助電極８との間の距離精度を向上させることができる。この結果、電界放出型電子源アレイと補助電極８のビーム通過部９に形成された複数の貫通孔９０の開口９１との間の距離を高精度に維持するというスペーサー部８ａの役割を効果的に発揮させることができる。
【０１３６】
補助電極８のスペーサー部８ａの厚みＨｓは、例えば上述の電界放出型電子源アレイの１つのセルの縦横寸法がそれぞれ２０μｍ程度である場合、５０〜１５０μｍ程度（最適は１００μｍ程度）が好ましい。ここで、スペーサー部８ａの厚みＨｓとは、図７に示すように、補助電極８のビーム通過部９の電界放出型電子源アレイ側の面と電界放出型電子源アレイとの間の距離を意味する。
【０１３７】
この場合、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）加工における寸法マージンとビーム通過部９の機械的強度の観点から、縦横方向に隣り合う開口９１間の距離（即ち、隣り合う電子ビーム通過行路９２間の壁の厚さ）は４μｍ±２μｍの範囲内であることが好ましい。従って、１セルの縦横寸法がそれぞれ２０μｍの場合には、補助電極８の貫通孔９０の開口９１の形状は一辺が１６μｍ程度の四角形となる。ビーム通過部９の厚み（即ち電子ビーム通過行路９２のＺ軸方向寸法）Ｈｔは、開口９１の上記の開口径の約１．５〜１０倍程度、更には６〜８倍程度（上記の例では１００〜１２０μｍ程度）が好ましい。
【０１３８】
図７は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【０１３９】
補助電極８は、電子増倍層２８と、電子増倍層２８の両側に設けられた低抵抗の薄膜からなる第１電極２７及び第２電極２９とを備える。
【０１４０】
電子増倍層２８は、例えばガラス素材の多数のチューブを束ねて作成される。このガラスチューブが電子ビームが通過する貫通孔９０となる。
【０１４１】
電子増倍層２８の電界放出型電子源アレイ１０側に配置された第１電極２７には、半導体基板６から電界放出型電子源アレイ１０のゲート電圧よりも高い１５０〜３００Ｖ程度の中位の電圧が印加され、第２電極２９には第１電極２７に印加される電圧よりも高い電圧が印加されている。
【０１４２】
電界放出型電子源アレイ１０から放出された電子ビームは第１電極２７の電位により補助電極８に向かって加速される。
【０１４３】
電子増倍層２８内には第１電極２７に印加された第１電圧と第２電極２９に印加された第２電圧により電位勾配が形成される。この電位勾配により電子増倍層２８内に到達した電子は２次電子増倍作用を受け加速度的に電子ビーム量を増加させて補助電極８から出射される。
【０１４４】
図８に電子増倍層の２次電子増倍作用を概念的に示す。但し、図８では図を簡略化して理解を容易にするために補助電極８に入射した一部の電子についての電子増倍の様子のみを図示している。また、実際の電子ビームは電界の作用でターゲット３に向かう方向（即ちＺ軸に沿う方向）に徐々に曲げられるが、ここでは直線で描いている。これは後述する図９，図１６においても同様である。
【０１４５】
電子増倍層２８により数が増加した電子は、補助電極８から出射しターゲット３へ到達する。電子増倍層の２次電子増倍作用によりターゲット３に到達する電子ビーム量が多くなるので、ターゲット３に蛍光体を備えた電界放出型電子源表示装置の高輝度化、高コントラスト化が可能となり、ターゲット３に光電変換膜を備えた電界放出型電子源撮像装置においては残像を少なく又はなくすことができる。
【０１４６】
また、ターゲット３に十分な電子ビームを供給できるので、電子増倍層２８を備えない場合に比較して電界放出型電子源アレイ１０から放出される電子ビーム量を抑制することができる。これにより、電界放出型電子源アレイ１０のエミッタ電位とゲート電位との電圧差を小さくすることが可能となり、耐電圧特性に関して信頼性の高い電界放出型電子源装置を提供することができる。
【０１４７】
また、電子増倍層２８の電界放出型電子源アレイ１０側とターゲット３側に電子増倍層２８よりも低抵抗の薄膜２７，２９を設けたことにより、電界放出型電子源アレイ１０から放出された電子ビーム１１ａが補助電極８に局所的に衝突することによって発生する局所的な電圧変動、補助電極８をターゲット３に向かって出射した電子ビーム１１ｃがターゲット３側から戻って来て補助電極８に衝突することによって発生する局所的な電圧変動、及び、電界放出型電子源アレイ１０に印加されるパルス電圧が、電界放出型電子源アレイ１０と補助電極８との間の静電容量及び補助電極８とターゲット３との間の静電容量を介してターゲット３に重畳される現象を抑制することができる。補助電極８の電圧変動が抑制されることにより、電子ビーム量が安定するので、輝度のバラツキが低減された電界放出型電子源表示装置を提供できる。また、電界放出型電子源アレイ１０に印加されるパルス電圧によるターゲット３の電圧変動が生じにくくなるので、雑音が低減された電界放出型電子源撮像装置を提供できる。
【０１４８】
上記の例では電子増倍層２８は多数のガラスチューブを束ねて作成作成されたが、電子増倍層２８の材料はこれに限定されず、例えば２次電子利得が高いＭｇＯ、Ｃｓ2Ｏ、セシウム化シリコン、ＮａＣｌ、Ｎａｌ等を用いることができる。また、これらの材料を多数の貫通孔を備えた板状部材の貫通孔の側壁に塗布しても良い。電子増倍層２８の材料としては、ガス放出が少なく、仕事関数が少ない材料が好適である。
【０１４９】
電子増倍層２８が、図９のように、互いに異なる材料からなる、電界放出型電子源アレイ１０側の第１電子増倍層２８ａとターゲット３側の第２電子増倍層２８ｂとを有していても良い。これにより、電子増倍層２８が、２次電子増倍作用に加えて、所望の速度ベクトルを有する電子ビームのみを選択的に抽出するトリミング作用を有することができる。
【０１５０】
一般に２次電子放出作用は、２次電子放射面に対する電子ビームの入射角（２次電子放射面の法線に対する電子ビームの速度ベクトルがなす角度）が大きいほど、２次電子増倍が起こりやすく、２次電子放出量は大きく、逆に２次電子放射面に対する電子ビームの入射角が小さいほど大きいほど、２次電子増倍が起こりにくく、２次電子放出量は少ない。この特性を利用して、例えば補助電極８の入射側には２次電子増倍率の比較的小さな材料からなる第１電子増倍層２８ａを配置し、出射側には２次電子増倍率の比較的大きな材料からなる第２電子増倍層２８ｂを配置する。これにより、補助電極８に、上述の２次電子増倍作用と所望の速度ベクトルを有する電子ビームのみを選択的に抽出するトリミング作用とを行わせることができる。
【０１５１】
即ち、補助電極８の入射側に２次電子増倍率の比較的小さな材料を配置することにより、指定セルを通りＺ軸と平行な直線上に位置する補助電極８の貫通孔（以下、この貫通孔を「指定セルに対応する貫通孔」という）９０には、電子ビーム通過行路９２の長手方向（即ちＺ軸方向）に対する角度が比較的小さな速度ベクトルを有する電子ビーム１１ａが入射し、指定セルに対応する貫通孔９０の周辺の貫通孔９０には、電子ビーム通過行路９２の長手方向（即ちＺ軸方向）に対する角度が比較的大きな速度ベクトルを有する電子ビーム１１ａが入射する。
【０１５２】
従って、指定セルに対応する貫通孔９０では、電子ビームが２次電子増倍率の比較的小さな材料からなる第１電子増倍層２８ａに大きな入射角で衝突するので、多くの２次電子が放出される。一方、指定セルに対応する貫通孔９０の周辺の貫通孔９０では、電子ビームが２次電子増倍率の比較的小さな材料からなる第１電子増倍層２８ａに小さな入射角で衝突するので、２次電子の放出量は少ない。
【０１５３】
従って、指定セルに対応する貫通孔９０内の第１電子増倍層２８ａの領域を電子ビームがその数を増倍させながら集中して通過するというトリミング作用が発生する。そして、これらの電子は、第１電子増倍層２８ａよりもターゲット３側に配置された、２次電子増倍率の比較的大きな材料からなる第２電子増倍層２８ｂに大きな入射角で衝突し、更に多くの２次電子が次々に放出される。この多量の電子は、貫通孔９０を出射してターゲット３に到達する。従って、ターゲット３に到達する電子ビーム量は多くなり、且つターゲット３上での電子ビームのスポット径は小さくなる。
【０１５４】
なお、図９とは逆に、電界放出型電子源アレイ１０側に２次電子増倍率の比較的大きな材料からなる第２電子増倍層２８ｂを配置し、ターゲット３側に２次電子増倍率の比較的小さな材料からなる第１電子増倍層２８ａを配置しても良い。この場合には、小さな指定セルから放出された電子ビームを、補助電極８によって大きな断面積を有し速度ベクトルが揃った電子ビームに変換してターゲット３に到達させることができる。この実施形態は、上記の電界放出型電子源表示装置や電界放出型電子源撮像装置以外の用途に使われる電界放出型電子源装置に活用することが可能である。
【０１５５】
図７では電子増倍層２８を含む補助電極８の電子ビーム通過行路９２の延設方向がＺ軸と平行であったが、電子ビーム通過行路９２の延設方向の向きはこれに限定されない。例えば図１０に示すように電子ビーム通過行路９２の延設方向がＺ軸に対して傾斜していても良い。あるいは、電子ビーム通過行路９２が、延設方向がＺ軸対する角度が互いに異なる２以上の部分を含んでいても良い。例えば、図１１に示すように、第１電子増倍層２８ａと第２電子増倍層２８ｂとで電子ビーム通過行路９２の延設方向を異ならせても良い。
【０１５６】
上述した実施の形態では、電界放出型電子源が先端の尖った冷陰極素子１５とその先端を囲む開口が形成されたゲート電極１２とを備えたスピント型を例に説明したが、本発明の電界放出型電子源はこれに限定されない。例えばカソード電極とゲート電極との間に絶縁層を形成し、絶縁層に電圧を印加してトンネル効果により電子放出を行なうＭＩＭ（Metal Insulator Metal）型、カソード電極とエミッタ電極との間に微小なギャップを設け、これら電極間に電圧を印加して微小ギャップから電子放出を行なうＳＣＥ（Surface Conduction Electron Source）型、あるいは電子源にＤＬＣ（Diamond Like Carbon）やＣＮＴ（Carbon Nanotube）等の炭素系材料を用いた電界放出型電子源であっても良い。
【０１５７】
電子ビームが広がりをもって電界放出される電子源であって、ターゲット３上での電子ビームのスポット径を小さくする必要がある電界放出型電子源装置は、本発明の効果が効果的に発揮されるので、本発明が適用されることが特に好ましい。
【０１５８】
ＣＮＴ（Carbon Nanotube）等の炭素系材料を用いた電界放出型電子源の一例を図１２に示す（例えば特許文献６参照）。
【０１５９】
基板上に、無数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）からなるＣＮＴ層５９が形成されている。ＣＮＴ層５９を取り囲むように、集束電極６０が形成されている。ＣＮＴ層５９の上方にはＣＮＴ層５９から電子を引き出すためのゲート電極６１が形成されている。ゲート電極６１には、無数の電子ビーム通過孔が形成されている。カーボンナノチューブからなるセルの平面視形状は四角形である。複数のセルが縦横方向にマトリックス状に配置されている。縦方向に並んだ複数のセルは互いに電気的に接続されてエミッタラインを形成する。ゲート電極６１は、横方向に並んだ複数のセル上に配置されてゲートラインを形成する。複数のエミッタラインのうちの１つと、複数のゲートラインのうちの１つを選択することにより、選択されたエミッタラインとゲートラインとの交点に位置するセルから電子ビーム１１ａが放出される。
【０１６０】
ゲート電極６１が薄いと、セルから放出される電子ビーム１１ａの量が多くなり、その発散角は大きくなり、ゲート電極６１が厚いと、セルから放出される電子ビーム１１ａの量が少なくなり、その発散角は小さくなる。
【０１６１】
本発明は、このようなＣＮＴを用いた電界放出型電子源を備えた電界放出型電子源装置にも適用することができる。特に、ゲート電極６１が薄く、そのためにセルから放出される電子ビーム１１ａの量が多く、その発散角は大きい場合に適用すると、本発明の効果が効果的に発揮されるので好ましい。その場合、補助電極８の貫通孔９０がセルと一対一に対応してセルのＺ軸方向の上方に配置され、貫通孔９０の開口がセルと同程度の大きさを有していることが好ましい。
【０１６２】
また、上記の実施の形態では、電界放出型電子源アレイからビーム通過部９の貫通孔９０の開口９１までの距離が１００μｍ程度、ビーム通過部９の厚みが１００μｍ程度、補助電極８からターゲット３までの距離が１５０〜数百μｍ程度である例を示したが、本発明はこれに限定されず、電界放出型電子源装置の用途、電界放出型電子源の種類によってこれらの距離を自由に設定しても良いことは言うまでも無い。
【０１６３】
更に、上記の実施の形態では、ターゲット３が陽極電極２を覆っていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、陽極電極２がターゲット３より大きくても良い。また、ターゲット３が３色の蛍光体を含み、陽極電極２の表面にこの３色の蛍光体を交互に形成しても良い。この場合、隣り合う蛍光体の間にブラックマトリクスのような光吸収層を設けても良い。更に、陽極電極２のとターゲット３との間、又は陽極電極２と前面パネル１との間に、単色又は３色のカラーフィルター層を設け、カラーフィルター層の色に対応して蛍光体層又は光電変換膜層をターゲット３として形成しても良い。
【０１６４】
また、上記の実施の形態では、電界放出型電子源アレイからビーム通過部９までの距離の組立誤差を少なくするために、スペーサ部８ａを一体化に備えるトリミング電極８を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１３に示すように、側面外周器２４の内周面に段差２４ａを設け、この段差２４ａでスペーサ部を有しない補助電極２５を支持しても良い。
【０１６５】
補助電極８の貫通孔９０の電子ビーム通過行路９２の内径は、上述した図４（Ａ）のようにＺ軸方向において一定である必要はなく、変化していても良い。電子ビーム通過行路９２の内径をＺ軸方向において変化させることにより、補助電極８のトリミング作用を調整することができる。例えば、図４（Ｂ）に示すように、電子ビーム通過行路９２の内径が電子ビームの入射側よりも出射側で小さいと、補助電極８の貫通孔９０を出射する電子ビームの発散角をより小さくすることができるので好ましい。
【０１６６】
補助電極８の貫通孔９０の電子ビーム通過行路９２のＺ軸に垂直な方向に沿った断面形状は、上記の例のように四角形に限定されない。例えば、円形、楕円形、いずれの内角も９０度より大きな多角形、または隣り合う辺が円弧で接続された多角形であっても良い。これらの形状にすることにより、補助電極内における局所的な応力集中を防止して、高強度の補助電極を得ることができる。例えば、電子ビーム通過行路９２の断面形状を６角形又は円形として、ビーム通過部９をハニカム構造としても良い。電子ビーム通過行路９２の断面形状が正方形以外の形状である場合には、その形状と同じ面積を有する正方形の一辺の長さを開口径Ｄと考えて上述したビーム通過部９の厚みＨｔと開口径Ｄとの関係が適用される。
【０１６７】
更に、上記の実施の形態では、Ｚ軸方向から見た前面パネル１の形状が円形であったが、本発明はこれに限定されず、例えば四角形であっても良い。
【０１６８】
また、上記の実施の形態では、補助電極８は電界放出型電子源アレイ１０が形成された半導体基板６上に設置されていたが、本発明はこれに限定されず、例えば背面パネル５上に半導体加工技術を用いてスピント型等の電界放出型電子源アレイを直接形成し、電界放出型電子源アレイを形成した背面パネル５上に補助電極８を設置しても良い。
【０１６９】
更に、上述の実施の形態では、ＶＧＡに対応した電界放出型電子源装置を想定して電界放出型電子源アレイの１つのセルの大きさを２０μｍ角程度とし、これに合わせた各部の寸法を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えばＳＶＧＡ、ＳＸＧＡに対応する電界放出型電子源装置であれば、１つのセルの大きさは上記よりも小さくなり、その他の各部の寸法もこれに合わせて小さくしなければならない。
【０１７０】
また、電界放出型電子源アレイ１０の一つのセルに対して、このセルのサイズよりも小さい開口径を有する複数の貫通孔を、このセルの中心を通りＺ軸に平行な直線上に配置して、複数の貫通孔の各電子ビーム通過行路によって選択的に電子ビームをトリミングした後、補助電極からターゲットへ向けて射出させても良い。この場合は補助電極による電子ビームの除去率が大きくなるので、電界放出型電子源アレイ１０からの電子ビーム量を大きくする必要があり注意を要する。
【０１７１】
更に、上述の実施の形態に示した各部に印加される電圧は一例にすぎず、電界放出型電子源装置の用途、各部のサイズ等によって最適値は異なり、適宜変更しなければならないことは言うまでも無い。
【０１７２】
以上述べた如く、本実施の形態１では、補助電極の一部に電子増倍層が設けられているので、指定セルに対応する貫通孔に入射した電子ビームの量を増加させることができる。従って、ターゲットに到達する電子ビーム量を多くすることができる。よって、高輝度且つ高精細の電界放出型電子源表示装置や、残像の少ない電界放出型電子源撮像装置を実現することができる。
【０１７３】
（実施の形態２）
図１４は、本発明の実施の形態２に係る電界放出型電子源装置の断面図である。
【０１７４】
図１４に示すように、本実施の形態２に係る電界放出型電子源装置は、電界放出型電子源アレイ１０の補助電極８側に予備集束用のフォーカス電極２６が設けられている点で実施の形態１に係る電界放出型電子源装置と異なる。以下では実施の形態１と同じ部分についての説明を省略する。
【０１７５】
フォーカス電極２６は、電界放出型電子源アレイ１０のマトリックス状に配置された複数のセルのそれぞれの位置に開口を有し、各セルを包囲する複数の筒状体を備えている。フォーカス電極２６には、補助電極８の電界放出型電子源アレイ１０側の部分に印加される電圧よりも低い電圧が供給される。これにより、補助電極８からフォーカス電極２６の筒状体内に浸透する電界が形成される。
【０１７６】
電界放出型電子源アレイ１０のセルから放出された電子ビームは、フォーカス電極２６の筒状体内に形成された電界により予備集束されたのち、補助電極８に向かって放出される。電子ビームはフォーカス電極２６による予備集束を受けるので、フォーカス電極２６を出射する電子ビームの拡散角は、フォーカス電極２６を備えない場合に比べて、小さくなる。このために、Ｚ軸方向（電子ビーム通過行路９２の長手方向）に対してなす角度が小さな速度ベクトルを有する電子ビームが多くなるので、補助電極８を通過する電子ビーム量が多くなる。従って、指定セルに対応する貫通孔９０に入射する電子ビーム量が多くなる。この結果、フォーカス電極２６を備えない場合に比べて、ターゲット３に到達する電子ビーム量が多くなり、且つ、ターゲット３上において電子ビームのスポット径が小さくなる。
【０１７７】
以上述べた如く、本実施の形態２では、電界放出型電子源アレイ１０から放出された電子ビームが補助電極８に入射する前に、フォーカス電極２６により予備集束される。これにより、実施の形態１に比べて、ターゲット３に到達する電子ビーム量を多くすることができ、且つ、ターゲット３上において電子ビームのスポット径を小さくすることができる。これにより、高輝度且つ高精細の電界放出型電子源表示装置や、残像が少なく且つ高精細の電界放出型電子源撮像装置を提供することができる。
【０１７８】
上記の例では単一電極を有するフォーカス電極を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、Ｚ軸方向に複数の電極を有していても良い。各電極に異なる電圧を印加することにより、フォーカス電極内に予備集束のための電界を形成することができる。この場合、補助電極に最も近い電極に印加する電圧は、補助電極８のフォーカス電極側の部分に印加される電圧よりも低くても良いし、同じであっても良い。同じ場合には供給電圧回路を共通化できる。
【０１７９】
上記の例では、実施の形態１に示した電界放出型電子源装置にフォーカス電極を設けたが、本発明はこれに限定されず、上述した又は後述するいずれの電界放出型電子源装置に本実施の形態で説明したフォーカス電極を設けることができ、その場合も上記と同様の効果を得ることができる。
【０１８０】
（実施の形態３）
図１５は、本発明の実施の形態３に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【０１８１】
図１５に示すように、本実施の形態３に係る電界放出型電子源装置は、補助電極３５が、電子増倍層３３の電界放出型電子源アレイ１０側に、所定の速度ベクトルを有する電子ビームのみを選択的に吸収し除去するトリミング層３２を備える点で、実施の形態１に係る電界放出型電子源装置と異なる。以下では実施の形態１と同じ部分についての説明を省略する。
【０１８２】
補助電極３５は、補助電極３５の電界放出型電子源アレイ１０側に配置された第１電極３１と、例えばシリコンにＮ型又はＰ型の物質をドープした半導体層からなるトリミング層３２と、２次電子増倍作用を有する電子増倍層３３と、補助電極３５のターゲット３側に配置された第２電極３４とを備える。電子増倍層３３の基本的構成は、実施の形態１の電子増倍層２８と同じである。
【０１８３】
例えば、第１電極３１には、半導体基板６から電界放出型電子源アレイ１０のゲート電圧よりも高い１５０〜３００Ｖ程度の中位の電圧が印加され、トリミング層３２には第１電極３１と同電圧が印加され、第２電極３４には第１電極３１に印加される電圧よりも高い電圧が印加されている。
【０１８４】
電界放出型電子源アレイ１０から放出された電子ビームは第１電極３１の電位により補助電極３５に向かって加速される。
【０１８５】
図１６にトリミング層３２のトリミング作用及び電子増倍層３３の２次電子増倍作用を概念的に示す。
【０１８６】
電界放出型電子源アレイ１０の指定セルから放出された電子ビーム１１ａのうち、Ｚ軸に対して斜めに進行する電子ビームは、この指定セルに対応する貫通孔９０の周辺に位置する貫通孔９０に入射し、貫通孔９０内においてトリミング層３２に衝突し、吸収され除去される。
【０１８７】
一方、電界放出型電子源アレイ１０の指定セルから放出された電子ビーム１１ａのうち、Ｚ軸とほぼ平行に進行する電子ビームは、この指定セルに対応する貫通孔９０に入射する。貫通孔９０内において、電子ビームのうちのごく一部はトリミング層３２に衝突し吸収され除去されるが、ほとんどはトリミング層３２を通過する。電子増倍層３３に達した電子ビームのうち、一部は電子増倍層３３を通過して貫通孔９０からターゲット３に向けて出射し、残りは電子増倍層３３に衝突し、２次電子が放出される。発生した２次電子は貫通孔９０からターゲット３に向けて出射する。
【０１８８】
このように、電子増倍層３３よりも電界放出型電子源アレイ１０側にトリミング層３２を設けることにより、以下のような効果が得られる。
【０１８９】
即ち、電界放出型電子源アレイ１０の指定セルから電子ビーム１１ａは所定の広がりをもって放出される。従って、電子ビーム１１ａは、指定セルに対応する貫通孔９０のみならず、指定セルに対応する貫通孔９０の周辺に位置する貫通孔９０にも入射する。ここで、補助電極３５にトリミング層３２が設けられておらず、補助電極３５の入射側端近傍にまで電子増倍層３３が設けられていると、指定セルに対応する貫通孔９０の周辺に位置する貫通孔９０内においても、電子ビームが電子増倍層３３に衝突して２次電子が放出されてしまう。これにより、指定セルに対応する貫通孔９０のみならず、その周辺の貫通孔９０からも電子ビームがターゲット３に向けて出射され、その結果、ターゲット３上において電子ビームのスポット径が拡大する。これでは、電界放出型電子源表示装置や電界放出型電子源装置の解像度が著しく劣化してしまう可能性がある。
【０１９０】
本実施の形態３の補助電極３５は、電子増倍層３３よりも電界放出型電子源アレイ１０側にトリミング層３２を備える。これにより、指定セルに対応する貫通孔９０の周辺に位置する貫通孔９０にも入射した電子ビームを確実にトリミング層３２に衝突させて吸収除去することができる。その結果、指定セルに対応する貫通孔９０の周辺に位置する貫通孔９０からターゲット３に向けて電子ビームが出射するのを防止できる。
【０１９１】
よって、本実施の形態３によれば、電界放出型電子源アレイの指定セルから広がりをもって放出された電子ビームを、補助電極３５により選択し且つ増倍させた後に、指定セルに対応する貫通孔９０からターゲット３に向けて出射させることができる。従って、ターゲット３に到達する電子ビーム量が多くなり、且つターゲット３上での電子ビームのスポット径は小さくなる。従って、実施の形態１よりも更に高解像度で高精細な電界放出型電子源表示装置及び電界放出型電子源撮像装置を実現することができる。
【０１９２】
更に、貫通孔９０内の電子増倍層３３の領域での電位勾配を実施の形態１よりも大きくすることができるので、電子増倍作用を更に効率良く行なうことができる。
【０１９３】
あるいは、貫通孔９０内の電子増倍層３３の領域での電位勾配を実施の形態１と同程度にした場合には、補助電極３５のターゲット３側の第２電極３４の電位を低下させることができる。これにより、補助電極３５とターゲット３ととの間の、ターゲット３に向かう電子ビーム１１ｃを減速するように作用する電界を弱めることができるので、ターゲット３上での電子ビームのスポット径を実施の形態１よりも更に小さくすることができる。この構成は、電界放出型電子源撮像装置に好適である。
【０１９４】
以上述べた如く、本実施の形態３では、補助電極３５が、電子増倍層３３よりも電界放出型電子源アレイ１０側にトリミング層３２を備える。従って、電界放出型電子源アレイ１０の指定セルから広がりをもって放出された電子ビームのうち、トリミング層３２内の電子ビーム通過行路９２の延設方向に対してほぼ平行な速度ベクトルを有する電子ビームのみがトリミング層３２を選択的に通過され、次いで、電子増倍層３３にて電子ビーム量を増加されて、補助電極３５から出射する。この結果、実施の形態１よりも更に高解像度で高精細な電界放出型電子源表示装置及び電界放出型電子源撮像装置を実現することができる。
【０１９５】
（実施の形態４）
図１７は、本発明の実施の形態４に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【０１９６】
図１７に示すように、本実施の形態４に係る電界放出型電子源装置は、補助電極４０に形成された電子ビーム通過行路９２の延設方向が、トリミング層３７の部分と電子増倍層３８の部分とで異なる点で、実施の形態３に係る電界放出型電子源装置と異なる。以下では実施の形態３と同じ部分についての説明を省略する。
【０１９７】
即ち、トリミング層３７の部分での電子ビーム通過行路９２の延設方向はＺ軸に対して平行であるのに対して、電子増倍層３８の部分での電子ビーム通過行路９２の延設方向はＺ軸に対して傾斜している。
【０１９８】
電界放出型電子源アレイ１０から放出された電子ビームは第１電極３１の電位により補助電極４０に向かって加速される。
【０１９９】
電界放出型電子源アレイ１０の指定セルから放出された電子ビームのうち、Ｚ軸に対して斜めに進行する電子ビームは、この指定セルに対応する貫通孔９０の周辺に位置する貫通孔９０に入射し、貫通孔９０内においてトリミング層３７に衝突し、吸収され除去される。
【０２００】
一方、電界放出型電子源アレイ１０の指定セルから放出された電子ビームのうち、Ｚ軸とほぼ平行に進行する電子ビームは、この指定セルに対応する貫通孔９０に入射する。貫通孔９０内において、電子ビームのうちのごく一部はトリミング層３７に衝突し吸収され除去されるが、ほとんどはトリミング層３７を通過する。
【０２０１】
指定セルに対応する貫通孔９０に入射し、トリミング層３７を通過した電子ビームは、次に電子増倍層３８に入射する。本実施の形態４は実施の形態３と異なり、トリミング層３７における電子ビーム通過行路９２の延設方向に対して、電子増倍層３８における電子ビーム通過行路９２の延設方向が傾斜している。従って、電子増倍層３８に入射したほぼ全ての電子ビームは電子増倍層３３に衝突し、効率よく２次電子が放出される。発生した２次電子は貫通孔９０からターゲット３に向けて出射する。
【０２０２】
ターゲット３に到達する電子ビーム量は実施の形態３よりも増大するので、より高輝度且つ高精細の電界放出型電子源表示装置や、残像のより少ない電界放出型電子源撮像装置を実現することができる。
【０２０３】
トリミング層３７における電子ビーム通過行路９２の延設方向に対する、電子増倍層３８における電子ビーム通過行路９２の延設方向の傾斜角度の上限は、特に制限はないが４５度以下であると、２次電子増倍を効率良く行わせることができるので、好ましい。
【０２０４】
電子増倍層３８が、電子ビーム通過行路９２の延設方向が互いに異なる２層以上の積層構造を有していても良い。例えば、図１８に示すように、電子増倍層３８が、トリミング層３７に隣接し、トリミング層３７における電子ビーム通過行路９２の延設方向に対して傾斜した方向に延設された電子ビーム通過行路９２が形成された第１電子増倍層３８ａと、この第１電子増倍層３８ａにおける電子ビーム通過行路９２の延設方向に対して傾斜した方向に延設された電子ビーム通過行路９２が形成された第２電子増倍層３８ｂとを有していても良い。これにより、第１電子増倍層３８ａにおいて増倍された電子が第２電子増倍層３８ｂにおいて更に増倍されるので、電子増倍作用を飛躍的に向上させ、極めて多量の電子ビームをターゲット３に到達させることができる。
【０２０５】
以上述べた如く、本実施の形態４では、補助電極４０に形成された電子ビーム通過行路９２の延設方向が、トリミング層３７の部分と電子増倍層３８の部分とで異なるので、トリミング層３７を通過した電子ビームを確実に電子増倍層３８に衝突させることができる。実施の形態３では、トリミング層３２の部分と電子増倍層３３の部分とにわたって電子ビーム通過行路９２が一直線上に延設していたので、トリミング層３７を通過した電子ビームのうち電子ビーム通過行路９２の延設方向と平行な方向の速度ベクトルを有する電子ビームは電子増倍層３３に衝突することはなかった。これに対して、本実施の形態４では、トリミング層３７を通過した全ての電子ビームを電子増倍層３８に衝突させることができる。従って、より多くの２次電子を放出させることができるので、ターゲット３に到達する電子ビーム量を実施の形態３よりも増大させることができる。この結果、実施の形態３に比べて、より高輝度且つ高精細の電界放出型電子源表示装置や、残像のより少ない電界放出型電子源撮像装置を実現することができる。
【０２０６】
（実施の形態５）
図１９は、本発明の実施の形態５に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【０２０７】
図１９に示すように、本実施の形態５に係る電界放出型電子源装置は、補助電極４２のターゲット３側に配置された第２電極をターゲット３の側に厚くして第２トリミング層４１とした点で、実施の形態４の図１７に示した電界放出型電子源装置と異なる。以下では実施の形態４と同じ部分についての説明を省略する。
【０２０８】
電界放出型電子源アレイ１０の指定セルから放出された電子ビームが補助電極４２の電子増倍層３８に至るまでの過程は実施の形態４と同様である。本実施の形態５では、電子増倍層３８で２次電子増倍により増加し第２トリミング層４１に入射した電子ビームのうち、第２トリミング層４１における電子ビーム通過行路９２の延設方向に対して傾斜した速度ベクトルを有する電子ビームが第２トリミング層４１に衝突して吸収除去される。これにより、Ｚ軸に対する角度が大きな速度ベクトルを有する電子ビームを選択的に除去することができるので、第２補助電極４２の貫通孔９０を出射する電子ビームの発散角を小さくすることができる。また、電子ビームは電子増倍層３８を通過しているので、第２トリミング層４１によるトリミング作用を受けても、十分な電子ビーム量を確保できる。
【０２０９】
従って、ターゲット３に到達する電子ビーム量を多くすることができ、且つ、ターゲット３上において電子ビームのスポット径を小さくすることができる。
【０２１０】
また、補助電極４２を出射する電子ビームの発散角が小さいので、補助電極４２からターゲット３までの距離にバラツキが生じても、ターゲット３上における電子ビームのスポット径はほとんど変化しない。
【０２１１】
以上述べた如く、本実施の形態５では、補助電極４２が電子増倍層３８よりもターゲット３側に第２トリミング層４１を備えるので、補助電極４２を出射する電子ビームの発散角を実施の形態４よりも小さくすることができる。従って、補助電極４２からターゲット３までの距離のバラツキによる影響をほとんど受けることなく、ターゲット３上において電子ビームのスポット径を小さくすることができる。この結果、実施の形態４に比べて、より高解像度且つ高精細の電界放出型電子源表示装置及び電界放出型電子源撮像装置を実現することができる。
【０２１２】
（実施の形態６）
図２０は、本発明の実施の形態６に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【０２１３】
図２０に示すように、本実施の形態６に係る電界放出型電子源装置は、補助電極８とターゲット３との間にシールド電極（補助電極）４４を備える点で実施の形態１に係る電界放出型電子源装置と異なる。以下では実施の形態１と同じ部分についての説明を省略する。
【０２１４】
シールド電極４４を設けることにより、補助電極８のターゲット３側の第２電極２９とターゲット３との間の耐電圧特性を向上させることができる。
【０２１５】
即ち、実施の形態１で説明した図７の電界放出型電子源装置では、補助電極８の電子増倍層２８が電子増倍作用を効果的に発揮するためには、電子増倍層２８の両側の第１電極２７及び第２電極２９に数百Ｖから数ｋＶ程度の電圧を印加する必要がある。従って、補助電極８のターゲット３側の第２電極２９は高電圧となってしまう。
【０２１６】
電界放出型電子源表示装置の場合、ターゲット３の電位は数ｋＶ程度である為、第２電極２９とターゲット３との間の電位差は余りない。
【０２１７】
ところが、ターゲット３に光電変換膜を備える電界放出型電子源撮像装置の場合、光電変換膜の補助電極８側の電位は、読み出し期間終了時にエミッタ電位とほぼ同じ０〜３Ｖ程度まで低下して安定する。このとき、補助電極８のターゲット３側の第２電極２９には数ｋＶの電圧が印加されており、０〜３Ｖ程度程度のターゲット３に対する電位差が大きいので、ターゲット３と第２電極２９との間で放電が起こる可能性がある。
【０２１８】
補助電極８とターゲット３との間にシールド電極４４を設け、シールド電極４４に所定の電位（例えば１５０Ｖ程度、但しシールド電極の位置による）を与えることにより、ターゲット３とシールド電極４４との間の電位勾配を、シールド電極４４がない場合のターゲット３と補助電極８の第２電極２９との間の電位勾配に比べて緩和させる。これにより、ターゲット３が絡む放電の発生を抑え、耐電圧特性に関する信頼性が向上した電界放出型電子源撮像装置を提供することができる。
【０２１９】
図２０では、実施の形態１で説明した図７の電界放出型電子源装置にシールド電極４４を設けた例を説明したが、本発明はこれに限定されず、上述したいずれの電界放出型電子源装置にシールド電極４４を設けても良く、その場合も上記と同様の効果が得られる。
【０２２０】
以上述べた如く、本実施の形態６では、電子増倍層を有する補助電極とターゲットとの間にシールド電極を備え、シールド電極４４に所定の電位を与えることにより、所望の電子増倍作用を得るために補助電極のターゲット側の第２電極に高電圧が印加されても、ターゲット３が絡む放電の発生を抑えることができる。従って、耐電圧特性に関して信頼性の高い電界放出型電子源装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２２１】
本発明の利用分野は特に制限はなく、例えば電界放出型電子源表示装置及び電界放出型電子源撮像装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２２２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置の断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置に使用される補助電極の概略斜視図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置に使用される補助電極のビーム通過部に形成された貫通孔を示した一部拡大斜視図である。
【図４】図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置に使用される補助電極のビーム通過部の厚さ方向の一部拡大断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置の分解斜視図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置において、電界放出型電子源アレイの一例を示した断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置に使用される補助電極の厚さ方向の一部拡大断面図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置に使用される別の補助電極の厚さ方向の一部拡大断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態１に係る別の電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態１に係る別の電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態１に係る電界放出型電子源装置において、電界放出型電子源アレイの別の例を示した断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態１に係る別の電界放出型電子源装置の断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態２に係る電界放出型電子源装置の断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態３に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態３に係る電界放出型電子源装置に使用される補助電極の厚さ方向の一部拡大断面図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態４に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施の形態４に係る別の電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施の形態５に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施の形態６に係る電界放出型電子源装置の部分拡大断面図である。
【図２１】図２１は、従来の電界放出型電子源アレイを用いた電界放出型電子源装置の断面図である。
【図２２】図２２は、従来の別の電界放出型電子源アレイを用いた電界放出型電子源装置の断面図である。
【図２３】図２３は、従来の別の電界放出型電子源アレイを用いた電界放出型電子源装置の断面図である。
【図２４】図２４は、従来の別の電界放出型電子源アレイを用いた電界放出型電子源装置の断面図である。
【符号の説明】
【０２２３】
１，１０１，１１５ 前面パネル
２，１０２，１１３ 陽極電極
３，１０３ ターゲット
４，２４，１０４，１１６ 側面外周器
５，１０５，１１７ 背面パネル
６，１０６ 半導体基板
７，１０９ 封着材料
７ａ フリットガラス真空封着部
７ｂ，１１９ インジウム真空封着部
８，２５ 補助電極
８ａ スペーサー部
９ ビーム通過部
１０ 電界放出型電子源アレイ
１１ａ，１１ｃ 電子ビーム
１２，１２８ ゲート電極
１３，１２６ 絶縁層
１４，１２５ エミッタ電極層
１５，１０７，１２４ 冷陰極素子（エミッタ）
２４ａ 段差
２６ フォーカス電極
２７，３１，３６ 第１電極
２８，３３，３８ 電子増倍層
２９，３４，３９，４１ 第２電極
８，３５，４０，４２ 補助電極
３２，３７ トリミング層
４３ 電圧供給ピン
４４ シールド電極
５０ ゲッター
５１ 第１空間
５２ 第２空間
５９ ＣＮＴ
６０ 集束電極
６１ ゲート電極
９０ 貫通孔
９１ 開口
９２ 電子ビーム通過行路
１０８ 周辺素子（ゲート電極及び絶縁層）
１１１ 入射光
１１２ 光電変換膜
１１４ 光電変換ターゲット
１１８ 真空容器
１２０ シールドグリッド電極
１２１ 段差
１２２ 電圧供給端子
１２３ 電圧供給用リード
１２９ 電界放出型電子源アレイ
１３３ フリットガラス封着部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界放出型電子源アレイと、前記電界放出型電子源アレイから放出された電子ビームにより所定の動作を行なうターゲットと、前記電界放出型電子源アレイと前記ターゲットとの間に配置され、前記電界放出型電子源アレイから放出された前記電子ビームが通過する複数の貫通孔が形成された補助電極とを有する電界放出型電子源装置であって、
前記複数の貫通孔のそれぞれは、前記電界放出型電子源アレイ側の開口と、前記開口から連続した電子ビーム通過行路とを有し、
前記電子ビーム通過行路の少なくとも一部に、入射した電子ビームを増倍させる電子増倍層が設けられており、
前記補助電極の前記ターゲット側には、２次電子放出係数が小さい材料からなる電子吸収層が設けられていることを特徴とする電界放出型電子源装置。
【請求項２】
前記電子ビーム通過行路の、前記電子増倍層に対して前記電界放出型電子源アレイ側の少なくとも一部に、所定の速度ベクトルを有する電子ビームのみを選択的に前記電子ビーム通過行路の側壁で吸収し除去するトリミング層が更に設けられている請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項３】
前記電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、前記トリミング層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向が傾斜している請求項２に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項４】
前記電子増倍層が、前記電子ビーム通過行路の互いに異なる領域に設けられた第１電子増倍層及び第２電子増倍層を少なくとも含み、
前記第１電子増倍層と前記第２電子増倍層とは２次電子増倍係数が互いに異なる材料からなる請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項５】
前記電子増倍層が、前記電子ビーム通過行路の互いに異なる領域に設けられた第１電子増倍層及び第２電子増倍層を少なくとも含み、
前記第１電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、前記第２電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向が傾斜している請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項６】
前記電子ビーム通過行路の、前記電子増倍層に対して前記ターゲット側の少なくとも一部に、所定の速度ベクトルを有する電子ビームのみを選択的に吸収し除去する第２トリミング層が更に設けられており、
前記電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、前記第２トリミング層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向が傾斜している請求項２に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項７】
前記補助電極と前記ターゲットとの間に、前記補助電極と前記ターゲットとの間の電圧差を緩和する第２補助電極を更に有する請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項８】
更に、前記電界放出型電子源アレイが形成された基板を有し、
前記補助電極は、前記電界放出型電子源アレイと前記複数の貫通孔の前記開口とを離間させるスペーサー部を一体に備え、
前記補助電極は前記スペーサー部を介して前記基板上に設置されている請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項９】
前記スペーサー部と前記基板とは導電性材料を用いて接合されており、前記導電性材料を介して前記基板から前記補助電極の少なくとも一部に給電されている請求項８に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項１０】
前記電子ビーム通過行路の延設方向に垂直な方向に沿った断面形状は、円形、楕円形、いずれの内角も９０度より大きな多角形、または隣り合う辺が円弧で接続された多角形である請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項１１】
前記電界放出型電子源アレイは、それぞれが電子を放出する複数の電子源を備えたセルを複数有し、
前記開口は前記セルよりも小さく、
前記開口と前記セルとが垂直方向に多対一に対応するように前記電界放出型電子源アレイと前記補助電極とが配置されており、
前記セルから放出された電子ビームは、対応する前記開口に入り、前記電子ビーム通過行路を通過して、前記ターゲットに入射する請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項１２】
電界放出型電子源アレイと前記補助電極との間に、前記電界放出型電子源アレイから放出された前記電子ビームを予備集束する予備集束電極を更に有する請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項１】
電界放出型電子源アレイと、前記電界放出型電子源アレイから放出された電子ビームにより所定の動作を行なうターゲットと、前記電界放出型電子源アレイと前記ターゲットとの間に配置され、前記電界放出型電子源アレイから放出された前記電子ビームが通過する複数の貫通孔が形成された補助電極とを有する電界放出型電子源装置であって、
前記複数の貫通孔のそれぞれは、前記電界放出型電子源アレイ側の開口と、前記開口から連続した電子ビーム通過行路とを有し、
前記電子ビーム通過行路の少なくとも一部に、入射した電子ビームを増倍させる電子増倍層が設けられており、
前記補助電極の前記ターゲット側には、２次電子放出係数が小さい材料からなる電子吸収層が設けられていることを特徴とする電界放出型電子源装置。
【請求項２】
前記電子ビーム通過行路の、前記電子増倍層に対して前記電界放出型電子源アレイ側の少なくとも一部に、所定の速度ベクトルを有する電子ビームのみを選択的に前記電子ビーム通過行路の側壁で吸収し除去するトリミング層が更に設けられている請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項３】
前記電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、前記トリミング層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向が傾斜している請求項２に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項４】
前記電子増倍層が、前記電子ビーム通過行路の互いに異なる領域に設けられた第１電子増倍層及び第２電子増倍層を少なくとも含み、
前記第１電子増倍層と前記第２電子増倍層とは２次電子増倍係数が互いに異なる材料からなる請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項５】
前記電子増倍層が、前記電子ビーム通過行路の互いに異なる領域に設けられた第１電子増倍層及び第２電子増倍層を少なくとも含み、
前記第１電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、前記第２電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向が傾斜している請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項６】
前記電子ビーム通過行路の、前記電子増倍層に対して前記ターゲット側の少なくとも一部に、所定の速度ベクトルを有する電子ビームのみを選択的に吸収し除去する第２トリミング層が更に設けられており、
前記電子増倍層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向に対して、前記第２トリミング層が設けられた前記電子ビーム通過行路の部分の延設方向が傾斜している請求項２に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項７】
前記補助電極と前記ターゲットとの間に、前記補助電極と前記ターゲットとの間の電圧差を緩和する第２補助電極を更に有する請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項８】
更に、前記電界放出型電子源アレイが形成された基板を有し、
前記補助電極は、前記電界放出型電子源アレイと前記複数の貫通孔の前記開口とを離間させるスペーサー部を一体に備え、
前記補助電極は前記スペーサー部を介して前記基板上に設置されている請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項９】
前記スペーサー部と前記基板とは導電性材料を用いて接合されており、前記導電性材料を介して前記基板から前記補助電極の少なくとも一部に給電されている請求項８に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項１０】
前記電子ビーム通過行路の延設方向に垂直な方向に沿った断面形状は、円形、楕円形、いずれの内角も９０度より大きな多角形、または隣り合う辺が円弧で接続された多角形である請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項１１】
前記電界放出型電子源アレイは、それぞれが電子を放出する複数の電子源を備えたセルを複数有し、
前記開口は前記セルよりも小さく、
前記開口と前記セルとが垂直方向に多対一に対応するように前記電界放出型電子源アレイと前記補助電極とが配置されており、
前記セルから放出された電子ビームは、対応する前記開口に入り、前記電子ビーム通過行路を通過して、前記ターゲットに入射する請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【請求項１２】
電界放出型電子源アレイと前記補助電極との間に、前記電界放出型電子源アレイから放出された前記電子ビームを予備集束する予備集束電極を更に有する請求項１に記載の電界放出型電子源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２００７−２５０５３４（Ｐ２００７−２５０５３４Ａ）
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３５５９（Ｐ２００７−３３５５９）
【出願日】平成１９年２月１４日（２００７．２．１４）
【出願人】（５０３２１７７８３）ＭＴ映像ディスプレイ株式会社 (176)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月１４日（２００７．２．１４）
【出願人】（５０３２１７７８３）ＭＴ映像ディスプレイ株式会社 (176)
【Ｆターム（参考）】
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