(57)【要約】  このマトリックス型冷陰極電子源装置は、メッシュ構造体（８）に形成された貫通孔（９）の開口径を、電子源素子（４）の配列ピッチの１／Ｎ以下に構成し、メッシュ構造体（８）を電子源素子（４）の配列ピッチの１／Ｎ刻みで駆動する駆動部（７ａ，７ｂ）を備えており、電子源のサイズを小さくすることなく解像度を高くできる。
2009110179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子を放出する複数のエミッタを有する冷陰極電子源素子が第１のピッチでマトリックス状に配置された冷陰極電子源アレイと、
前記冷陰極電子源アレイに対向し貫通孔が前記第１のピッチで複数配列した貫通孔群を有するメッシュ構造体と、
前記冷陰極電子源アレイとメッシュ構造体を介して対向し、前記冷陰極電子源アレイから放出され、前記メッシュ構造体の貫通孔を通過した電子ビームが衝突する位置に配置されたターゲットと、
前記メッシュ構造体を前記貫通孔の第１の配列方向および第２の配列方向に駆動する駆動部とを備えた
マトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項２】
前記駆動部を、前記第１，第２の配列方向にそれぞれ前記第１のピッチの（１／Ｎ）（Ｎは２以上の整数）刻みで前記第１のピッチまで前記メッシュ構造体を駆動するよう構成した
請求項１記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項３】
前記メッシュ構造体が、
少なくとも冷陰極電子源素子と対向する面とターゲットに対向する面、および貫通孔の内面が導電性材料で覆われており、且つ前記導電性材料の表面に外部より所定の電位を印加できる構造であることを特徴とする
請求項１または請求項２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項４】
前記メッシュ構造体の厚さが、１０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする
請求項１〜請求項３の何れかに記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項５】
前記メッシュ構造体の貫通孔の断面形状が、電子ビーム方向に略垂直であることを特徴とする
請求項１〜請求項４の何れかに記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項６】
前記メッシュ構造体が、冷陰極電子源素子と対向する面、若しくはターゲットと対向する面の少なくともどちらか一方が導電性材料で覆われており、前記導電性材料で覆われた面に接して絶縁性材料が形成された構造を有し、前記導電性材料で覆われた面には、独立に外部より電位を印加できる構造であることを特徴とする
請求項１または請求項２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項７】
前記メッシュ構造体を構成する導電性材料の厚さが１０μｍ以上５００μｍ以下であり、前記メッシュ構造体を構成する絶縁性材料の厚さが１０ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする
請求項６記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項８】
前記メッシュ構造体は、前記メッシュ構造体の大部分をなす基層と、前記基層が冷陰極電子源素子と対向する面、若しくはターゲットと対向する面の少なくともどちらか一方が、前記基層よりも低抵抗の導電性材料で覆われた面を有する構造であり、前記基層を形成する材料、若しくは前記基層に形成された貫通孔の表面は二次電子放出能を有する材料であることを特徴とする
請求項１または請求項２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項９】
前記メッシュ構造体は、前記メッシュ構造体の大部分をなす基層の厚さが５０μｍ以上であることを特徴とする
請求項８記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項１０】
前記メッシュ構造体の貫通孔の断面形状が略テーパ形状であり、ターゲット面に対向する貫通孔の開口径に対して、冷陰極電子源アレイに対向する貫通孔の開口径が大きいことを特徴とする
請求項８記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項１１】
前記略テーパ形状の断面形状を有する貫通孔は、ターゲット面に対向する貫通孔の開口径：Ｄ２と冷陰極電子源アレイに対向する貫通孔の開口径：Ｄ１の関係は、前記メッシュ構造体の厚みをＴ、スピント型エミッタから放出される電子の広がり角をθとすると、
ｔａｎθ  ＜  （Ｄ２−Ｄ１）／（２＊Ｔ）
であることを特徴とする
請求項８記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項１２】
前記ターゲットは、表面に蛍光体膜が形成されていることを特徴とする
請求項１または請求項２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項１３】
前記ターゲットには、表面に光電変換膜が形成されていることを特徴とする
請求項１または請求項２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項１４】
前記駆動部は、前記冷陰極電子源素子の電子放出のタイミングと同期して動くことを特徴とする
請求項１または請求項２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷陰極を用いたマトリックス型電子源装置に関するものであり、特に冷陰極電子源素子が、マトリックス状に配置された電子源アレイと、電子源アレイに対向し貫通孔が複数配列したメッシュ構造体と、電子源アレイとメッシュ構造体を介して対向し電子源アレイから放出されメッシュ構造体の貫通孔を通過した電子ビームにより所定の動作を行うターゲットとにより構成された電界放射型ディスプレイ装置、或いは高感度撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
タングステンやモリブデンの様な高融点金属を突起状に形成し、真空中において、その先端部に外部より電界を印加することで、金属先端部に誘起された電子が外部に放出される。通常、この突起状の金属をエミッタと称し、また、このエミッタから電子が放出される現象を電界放出、或いは電界放射と称している。【０００３】
この電界放出によって電子を外部に放出する素子は、電界放出型電子源素子、或いは冷陰極電子源素子と称され、近年様々な分野で利用されている。例えば、従来の熱フィラメントに代わって電子顕微鏡用の電子源としての用途や、電子源素子に対向して、蛍光体膜を形成したアノード電極に引き込むことで蛍光体を発光させた蛍光表示管等である。【０００４】
エミッタは微小な構造であることが多く、単独で用いると十分な電流量が確保できないため、複数のエミッタを一つの群として電流量を確保する。本明細書では、このエミッタの集合体を「冷陰極電子源素子」と称している。【０００５】
更に、冷陰極電子源素子をマトリックス状に複数配列して冷陰極電子源アレイを構成し、対抗する側にＲＧＢに対応した蛍光体を形成したアノード電極を配置し、電界放出された電子をアノード電極に引き出すことで蛍光体を光らせる電界放出型ディスプレイ（Ｆield Ｅmission Ｄisplay）が実用化されている。一例として、図９と図１０に示したスピント型エミッタを用いたＦＥＤについて説明する。【０００６】
ＦＥＤは、カソード基板１０１とアノード基板１１１が対向して配置された構成となっている。【０００７】
カソード基板１０１の表面には、ストライプ状のエミッタ信号配線１０２ａが互いに平行に形成され、さらにエミッタ信号配線１０２ａを覆うようにゲート絶縁膜１０３が形成されている。ゲート絶縁膜１０３の表面には、エミッタ信号配線１０２ａと直行するようにストライプ状のゲート信号配線１０４ａが形成されている。【０００８】
ゲート信号配線１０４ａおよびゲート絶縁膜１０３には、エミッタ信号配線１０２ａと交差する領域に複数の開口部１０４ｂが形成されており、開口部１０４ｂの内側で前記エミッタ信号配線１０２ａ上にエミッタ１０５が形成されている。このゲート信号配線１０４ａの表面の開口部１０４ｂがゲート電極となり、ゲート信号配線１０４ａを通じてゲート電極１０４ｂに電界を印加することで、エミッタ１０５の先端からの電子放出を生じさせることができる。この複数のエミッタ１０５とゲート電極（＝開口部１０４ｂ）が形成された領域が冷陰極電子源素子領域となる。【０００９】
カソード基板１０１と対向したアノード基板１１１には、カソード基板１０１と対向する面の全面に、透明導電膜（ＩＴＯ）のアノード電極１１２が形成されており、アノード電極１１２の上に、赤，緑，青の蛍光体１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂがストライプ状に順番に形成されている。各々の蛍光体１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂは、カソード基板１０１上に形成されたゲート信号配線１０４ａと平行になるように形成されている。【００１０】
このように構成されたＦＥＤでは、マトリックス状に配列された複数の電子源素子からの電子放出を、映像回路の出力信号に基づいて順次制御することにより、アノード基板１１１の表面に所望の映像を表示することができる。【００１１】
また、同様の構成において、前記蛍光体１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂに代わってアノード基板１１１の表面に光電変換膜（図示せず）を形成し、外部からの光により誘起された正孔−電子対を、電子源素子からの放出電子により読み取る撮像素子を構成できる。【００１２】
ＦＥＤや撮像素子では、一つの電子源素子から放出された電子のアノード電極面で面積によって、発光、或いは撮像の解像度が決まる。そこで、高解像度のＦＥＤや撮像素子を得ようとすれば、電子源素子の電子放出面の面積を小さくすることが一つの手段となるが、電子源素子の面積を小さくし過ぎると放出電流が少なくなり、必要な電流量が確保できなくなる。【００１３】
更に、冷陰極電子源から放出される電子は、アノード電極１１２に向かって全てが真直ぐ飛び出す訳ではなく、一定の広がりを持っている。これは、電子源を構成するエミッタ１０５の先端が製造工程において一定の曲率半径を有しているためであり、曲率面に対して垂直に電子が飛び出すことにより一定の広がりを持った電子ビームが放出される。【００１４】
そのため、アノード面（＝アノード基板１１１の表面）で解像度に応じた面積の電子ビームを得ようとすれば、電子源から放出された電子の広がりを抑える、或いは必要以上に広がった部分の電子がアノード面に到達しないようにする必要があり、前者を実現するための技術を電子ビームの集束技術、後者を実現するための技術をトリミング技術と称し、特許文献１，特許文献２などの技術が報告されている。【００１５】
この特許文献１，特許文献２には、電子源素子とアノード電極の間にメッシュ電極を設け、メッシュ電極に所定の電圧を印加することで、電子源素子からの電子を引き出し、メッシュ電極からアノード面に向かう電子ビームをほぼ法線方向に揃えた集束技術が記載されている。【００１６】
また、本発明者らが発明者である特許文献３，特許文献４では、メッシュ構造体自身に電界分布を形成することで、電子源から放出された電子ビームのうち、法線方向の電子ビームを選択的に通過させて、アノード面での電子ビームの広がりを抑える技術が提示されている。
【特許文献１】特開２０００−０４８７４３号公報
【特許文献２】特開２００５−２２８５５６号公報
【特許文献３】特開２００７−２５０５３１号公報
【特許文献４】特開２００７−２５０５３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記構成では、メッシュ電極、或いはメッシュ構造体によりアノード面への電子ビームの直交性は改善されるが、仮に、全ての電子がアノード面に垂直に入射するとしても、電子ビームの最小サイズは電子源素子のサイズで決まることになる。従って、外径サイズが決まっている場合、解像度を高くしようとすれば、電子源素子のサイズを小さくする必要がある。【００１８】
しかしながら、電子源素子のサイズを小さくすると、配置可能なエミッタの数が少なくなってしまうという課題が生じる。【００１９】
また、エミッタ自身をより微細化するという対策も考えられるが、フォトリソグラフィ法工程におけるアライメントマージンに必要な面積や、プロセス上の寸法制御のマージン等を考慮すると、電子源の微細化にも一定の限度があり、高解像度化が困難となる。【００２０】
本発明は、電子源素子のサイズを従来のように小さくすることなく解像度を高くできるマトリックス型冷陰極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】
【００２１】
本発明の請求項１記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、電子を放出する複数のエミッタを有する冷陰極電子源素子が第１のピッチでマトリックス状に配置された冷陰極電子源アレイと、前記冷陰極電子源アレイに対向し貫通孔が前記第１のピッチで複数配列した貫通孔群を有するメッシュ構造体と、前記冷陰極電子源アレイとメッシュ構造体を介して対向し、前記冷陰極電子源アレイから放出され、前記メッシュ構造体の貫通孔を通過した電子ビームが衝突する位置に配置されたターゲットと、前記メッシュ構造体を前記貫通孔の第１の配列方向および第２の配列方向に駆動する駆動部とを備えたことを特徴とする。【００２２】
本発明の請求項２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１において、前記駆動部を、前記第１，第２の配列方向にそれぞれ前記第１のピッチの（１／Ｎ）（Ｎは２以上の整数）刻みで前記第１のピッチまで前記メッシュ構造体を駆動するよう構成したことを特徴とする。【００２３】
本発明の請求項３記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１または請求項２において、前記メッシュ構造体が、少なくとも冷陰極電子源素子と対向する面とターゲットに対向する面、および貫通孔の内面が導電性材料で覆われており、且つ前記導電性材料の表面に外部より所定の電位を印加できる構造であることを特徴とする。【００２４】
本発明の請求項４記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１〜請求項３の何れかにおいて、前記メッシュ構造体の厚さが、１０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする。【００２５】
本発明の請求項５記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１〜請求項４の何れかにおいて、前記メッシュ構造体の貫通孔の断面形状が、電子ビーム方向に略垂直であることを特徴とする。【００２６】
本発明の請求項６記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１または請求項２において、前記メッシュ構造体が、冷陰極電子源素子と対向する面、若しくはターゲットと対向する面の少なくともどちらか一方が導電性材料で覆われており、前記導電性材料で覆われた面に接して絶縁性材料が形成された構造を有し、前記導電性材料で覆われた面には、独立に外部より電位を印加できる構造であることを特徴とする。【００２７】
本発明の請求項７記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項６において、前記メッシュ構造体を構成する導電性材料の厚さが１０μｍ以上５００μｍ以下であり、前記メッシュ構造体を構成する絶縁性材料の厚さが１０ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。【００２８】
本発明の請求項８記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１または請求項２において、前記メッシュ構造体は、前記メッシュ構造体の大部分をなす基層と、前記基層が冷陰極電子源素子と対向する面、若しくはターゲットと対向する面の少なくともどちらか一方が、前記基層よりも低抵抗の導電性材料で覆われた面を有する構造であり、前記基層を形成する材料、若しくは前記基層に形成された貫通孔の表面は二次電子放出能を有する材料であることを特徴とする。【００２９】
本発明の請求項９記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項８において、前記メッシュ構造体は、前記メッシュ構造体の大部分をなす基層の厚さが５０μｍ以上であることを特徴とする。【００３０】
本発明の請求項１０記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項８において、前記メッシュ構造体の貫通孔の断面形状が略テーパ形状であり、ターゲット面に対向する貫通孔の開口径に対して、冷陰極電子源アレイに対向する貫通孔の開口径が大きいことを特徴とする。【００３１】
本発明の請求項１１記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項８において、径：Ｄ２と冷陰極電子源アレイに対向する貫通孔の開口径：Ｄ１の関係は、前記メッシュ構造体の厚みをＴ、スピント型エミッタから放出される電子の広がり角をθとすると、ｔａｎθ  ＜  （Ｄ２−Ｄ１）／（２＊Ｔ）であることを特徴とする。【００３２】
本発明の請求項１２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１または請求項２において、前記ターゲットは、表面に蛍光体膜が形成されていることを特徴とする。【００３３】
本発明の請求項１３記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１または請求項２において、前記ターゲットには、表面に光電変換膜が形成されていることを特徴とする。【００３４】
本発明の請求項１４記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１または請求項２において、前記駆動部は、前記冷陰極電子源素子の電子放出のタイミングと同期して動くことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によると、電子源素子を小さくすることなく、即ち電子源素子の電流密度を低下させることなく高解像度化を実現して、信頼性の高いマトリックス型冷陰極電子源装置を実現でき、高解像度、高輝度のＦＥＤや、高解像度、高感度の撮像素子を実現できる。【００３６】
請求項１または請求項２の構成によると、電子源素子の面積を解像度に併せて小さくする必要が無いため、十分な電流量を安定的に確保できると同時に、ターゲット面に照射される電子は貫通孔の開口径に併せて絞ることが可能となるため、高解像度の電子源装置を実現することができる。【００３７】
請求項３の構成によると、メッシュ構造体よりターゲットに向かう電子を効果的にターゲット面に送ることが可能となり、高感度の電子源装置を実現することができる。【００３８】
請求項４の構成によると、メッシュ構造体を通過する電子の収束性を制御できると同時に、メッシュ構造体に衝突して消滅する電子の量を少なくすることで、ターゲット面での電流密度を高めることができる。また、メッシュ構造体の強度を維持しつつ、加工が容易となるため、製造工程における信頼性、歩留りを確保することができる。【００３９】
請求項５の構成によると、貫通孔における電子の消失が少なく、且つ直進性を持った電子をターゲット面に送ることができる。【００４０】
請求項６の構成によると、メッシュ構造体を通過する電子の軌道を外部電界で制御することで、収束性と直進性を制御することが可能となり、高解像度の電子源素子を実現できる。【００４１】
請求項７の構成によると、メッシュ構造体を通過する電子の収束性を制御できると同時に、メッシュ構造体に衝突して消滅する電子の量を少なくすることで、ターゲット面での電流密度を高めることができる。また、メッシュ構造体の強度を維持しつつ、加工が容易となるため、製造工程における信頼性、歩留りを確保することができる。【００４２】
請求項８の構成によると、メッシュ構造体の貫通孔内面に電子が衝突しても、二次電子が放出されることで電子が消失することなく、高い電流密度を維持することができる。【００４３】
請求項９の構成によると、メッシュ構造体の製造を容易にし、また、メッシュ構造体の強度を保つ役割を果たすことで、マトリックス型冷陰極電子源装置の信頼性を確保することができる。【００４４】
請求項１０の構成によると、貫通孔内面で生成された二次電子が発散されることなくターゲット面に向かうため、高い電流密度と収束性が実現できる。【００４５】
請求項１１の構成によると、電子源素子から放出された電子を無駄なくターゲット面に導くことが可能となり、高い電流密度を実現できる。【００４６】
請求項１２の構成によると、高解像度の表示装置を実現することができる。【００４７】
請求項１３の構成によると、解像度の高い高感度の撮像装置を実現することができる。【００４８】
請求項１４の構成によると、高解像度の表示装置或いは撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１に係るマトリックス型冷陰極電子源装置の分解斜視図
【図２】同実施の形態の断面構造の模式図
【図３】同実施の形態の機能を説明する分解斜視図
【図４】同実施の形態の構造と駆動方法を説明する要部の平面図
【図５Ａ】本発明の実施の形態２に係るマトリックス型冷陰極電子源装置のメッシュ構造体の断面図
【図５Ｂ】同実施の形態のメッシュ構造体の別の例を示す貫通孔部の拡大断面図
【図５Ｃ】同実施の形態のメッシュ構造体の別の例を示す貫通孔部の拡大断面図
【図５Ｄ】同実施の形態のメッシュ構造体の別の例を示す貫通孔部の拡大断面図
【図５Ｅ】同実施の形態のメッシュ構造体の別の例を示す貫通孔部の拡大断面図
【図６Ａ】本発明の実施の形態３に係るマトリックス型冷陰極電子源装置のメッシュ構造体の断面の模式図
【図６Ｂ】同実施の形態のメッシュ構造体の電子の挙動を説明する貫通孔部の拡大断面図
【図７Ａ】同実施の形態の別の例を示す貫通孔部の拡大断面図
【図７Ｂ】同実施の形態の別の例を示す貫通孔部の拡大断面図
【図８】本発明の実施の形態４に係るマトリックス型冷陰極電子源装置のメッシュ構造体における貫通孔部の拡大断面図
【図９】従来のＦＥＤの基本構成を示す拡大斜視図
【図１０】同従来例の断面図
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下、本発明の各実施の形態を図１〜図８に基づいて説明する。【００５１】
（実施の形態１）
図１〜図４は本発明の実施の形態１のマトリックス型冷陰極電子源装置を示す。【００５２】
図１は分解斜視図、図２は組立て後の断面図である。【００５３】
背面基板１の上には、フリットガラスを用いて接合したリング状のガラススペーサ２が取り付けられている。ガラススペーサ２の内側の前記背面基板１上には、冷陰極電子源アレイ４が銀ペースト等を用いて貼り付けられている。【００５４】
冷陰極電子源アレイ４は、複数のエミッタが一つの群として成る冷陰極電子源素子４ａがＸＹ方向に複数マトリックス状に配列された構造を有している。なお、図２においては、簡略化のため各々の冷陰極電子源素子４ａを一つのエミッタとしてＳｉ基板３の上に図示している。冷陰極電子源素子４ａは第１のピッチＰ１でマトリックス状に配置されている。【００５５】
ガラススペーサ２の上面には、中央に窓５ａが形成されている保持基板５が配置されている。この保持基板５は、金属Ｉｎよりなる内周リング１０とステンレス製の外周リング１１によってガラススペーサ２に固定されている。【００５６】
保持基板５の上には、中央に窓６ａが形成されているＹ側ステージ基板６をＹ軸方向に移動させることができる駆動部としてのＹ側アクチュエータ７ｂが固定されている。Ｙ側ステージ基板６には、メッシュ構造体８をＸ軸方向に移動させることができる駆動部としてのＸ側アクチュエータ７ａが固定されている。【００５７】
このようにメッシュ構造体８は、Ｘ側アクチュエータ７ａとＹ側アクチュエータ７ｂを介して保持基板５に取り付けられており、Ｘ側アクチュエータ７ａとＹ側アクチュエータ７ｂの運転によってメッシュ構造体８を、Ｘ方向、Ｙ方向に所定の距離だけ移動できる構造となっている。【００５８】
メッシュ構造体８は、基材となる導電性の薄板に所定の間隔でマトリクス状に貫通孔９が形成されている。なお、メッシュ構造体８は、必ずしも全て導電性である必要はなく、少なくとも表面、裏面、および貫通孔内面が導電性を有していれば良く、例えば微細加工したガラスの表面にメッキ法等を用いて導電膜を形成してもよい。【００５９】
内周リング１０とステンレス製の外周リング１１の先端の内周部には、前面基板１５が取り付けられている。前面基板１５には、メッシュ構造体８の側表面に透明導電膜１２が成膜されており、アノードピン１６と電気的に接続されている。透明導電膜１２の表面には光電変換膜１３が形成されており、外部から所定の電圧をアノードピン１６に印加することにより、透明導電膜１２を介して光電変換膜１３に電圧印加できる構成となっている。前面基板１５と透明導電膜１２と光電変換膜１３などで構成されるユニットは、冷陰極電子源アレイ４から見てターゲット１４である。前記貫通孔９は、冷陰極電子源アレイ４の法線方向と前面基板１５を結ぶ線と略平衡となるように形成されている。【００６０】
組み立て作業の際には、ガラススペーサ２と前面基板１５の間に内周リング１０を挟み、背面基板１と前面基板１５の上下から圧力を加えると、内周リング１０が塑性変形し、背面基板１、ガラススペーサ２、内周リング１０、および前面基板１５で囲まれた空間が機密封止される。高真空中で本作業を行うことで、冷陰極電子源アレイ４を高真空中に保持することができる。【００６１】
このように、ターゲット１４に光電変換膜１３を設けた撮像装置では、外部からの光により誘起された正孔−電子対を、冷陰極電子源アレイ４からの放出電子により読み取ることができる。【００６２】
ここで、メッシュ構造体８と冷陰極電子源素子４ａ、ターゲット１４との関係について、図３を参照しながら詳しく説明する。冷陰極電子源素子４ａは、マトリクス状に配置された冷陰極電子源アレイ４の中のひとつのセルとして構成されている。
メッシュ構造体８には、冷陰極電子源アレイ４における冷陰極電子源素子４ａの配置間隔である第１のピッチＰ１と同じピッチで貫通孔９がマトリックス状に形成されている。ここでは、メッシュ構造体８に形成された貫通孔９のＸ方向，Ｙ方向のピッチをそれぞれＰｍ（Ｘ），Ｐｍ（Ｙ）、貫通孔９が略垂直と仮定した時の貫通孔９の開口部のＸ方向，Ｙ方向幅をＤｍ（Ｘ），Ｄｍ（Ｙ）とする。また、１セル分の冷陰極電子源素子４ａのエミッタ領域４ｂのＸ方向，Ｙ方向幅をＰｅｍ（Ｘ），Ｐｅｍ（Ｙ）とする。更に、表示デバイスの場合においては、ターゲット上に仮想的に描く１画素分の撮像面のＸ方向，Ｙ方向幅をＤｔ（Ｘ），Ｄｔ（Ｙ）とする。【００６３】
従来例の形態では、冷陰極電子源素子４ａのエミッタ領域４ｂと貫通孔９の大きさ、更にはターゲット１４上の１画素分の撮像領域の大きさをほぼ等しく形成されており、
Ｐｅｍ（Ｘ）≒Ｄｍ（Ｘ）≒Ｄｔ（Ｘ）
Ｐｅｍ（Ｙ）≒Ｄｍ（Ｙ）≒Ｄｔ（Ｙ）
の関係式が成り立っていた。表示デバイスにおいて解像度を高くするためには、Ｄｔ（Ｘ）、Ｄｔ（Ｙ）を小さくする必要がある。即ちＰｅｍ（Ｘ），Ｐｅｍ（Ｙ）を小さくする必要があるが、冷陰極電子源素子の面積を小さくすることは、前述のとおりエミッタの集積度限界やプロセスマージンの影響が大きいなどの理由により実現が困難となっていた。【００６４】
これに対して本実施の形態では、冷陰極電子源素子４ａの大きさを変更することなく、表示デバイスの解像度を2倍にできる方法について以下に説明する。
メッシュ構造体８の貫通孔９の大きさを、図３に示したようにターゲット１４の１画素に相当する大きさとし、エミッタ領域４ｂの大きさを、Ｘ方向、Ｙ方向とも略２倍となる大きさとして配置した。すなわち、
Ｄｍ（Ｘ）≒Ｄｔ（Ｘ）≒（１／２）Ｐｅｍ（Ｘ）
Ｄｍ（Ｙ）≒Ｄｔ（Ｙ）≒（１／２）Ｐｅｍ（Ｙ）
の関係式が成り立つように構成されている。【００６５】
メッシュ構造体８は前述のようにアクチュエータ７ａ，７ｂを介して取り付けられている。このアクチュエータ７ａ，７ｂにより、メッシュ構造体８はＸ方向，Ｙ方向に各々Ｐｍ（Ｘ），Ｐｍ（Ｙ）だけ移動させることができる。このＰｍ（Ｘ），Ｐｍ（Ｙ）は、冷陰極電子源アレイ4におけるＸ方向，Ｙ方向の画素ピッチに相当する。即ち、アクチュエータ７ａ，７ｂを用いて図中Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの領域に冷陰極電子源素子４ａの電子放出のタイミングと同期して移動させることにより、ターゲットのＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの領域に電子ビームを照射させることができる。【００６６】
このように、メッシュ構造体８を構成することにより、従来の1画素を４画素として使用できるので、冷陰極電子源素子４ａのサイズを小さくすることなく高解像度化ができる。【００６７】
ＦＥＤなどの表示素子として用いる場合において、アクチュエータ７ａ，７ｂと電子源アレイ4の構成とタイミング動作について以下に簡単に説明する。【００６８】
メッシュ構造体８は、冷陰極電子源アレイ４に対向して配置される。貫通孔９は、第１のピッチ：Ｐ１で複数配列した貫通孔群を有する。ターゲット１４は、メッシュ構造体８に対向して配置され、冷陰極電子源アレイ４から放出されてメッシュ構造体８の貫通孔９を通過する電子ビームが衝突する位置に配置されている。Ｘ側アクチュエータ７ａおよびＹ側アクチュエータ７ｂは、メッシュ構造体８を貫通孔９の第１の配列方向（Ｘ軸）および第２の配列方向（Ｙ軸）に移動させる駆動部としての機能を備えている。貫通孔９の開口径は、第１のピッチの１／Ｎ以下（Ｎは２以上の整数）に設計される。メッシュ構造体８は、Ｘ側アクチュエータ７ａとＹ側アクチュエータ７ｂを用いて、第１，第２の配列方向（Ｘ軸，Ｙ軸）にそれぞれ第１のピッチの（１／Ｎ）刻みでステップ駆動するよう構成される。Ｘ側アクチュエータ７ａとＹ側アクチュエータ７ｂを、積層上に順次保持基板５上に固定することにより、それぞれＸ方向、Ｙ方向に独立した２次元的な駆動が可能になる。ここでは、ＦＥＤなどの表示素子として用いる場合について説明したが、撮像素子として用いる場合にも表示素子と同じ構成とタイミング動作で使用することができる。【００６９】
ＮＴＳＣの放送規格に準じて映像を動画表示する場合について説明する。【００７０】
ＮＴＳＣの画面表示は、１／３０秒をフレーム単位とした連続する映像フレーム信号をリアルタイムに逐次表示している。表示動作は、１フレームの垂直走査信号（ＮＴＳＣの場合は４８０本）ライン毎にそれぞれの水平信号を同時に表示する単純マトリクス表示動作が用いられる。本実施例の上記メッシュ構造体８を用いる場合には、１フレームに相当する垂直信号走査ラインの表示時間（約６９．４μｓｅｃ）を２分割し、１フレームを２回に分けて倍速での表示動作を行うことで実現できる。この時、表示動作とアクチュエータによる駆動を同期する必要がある。アクチュエータの開口部（貫通孔９）を用いて最初の表示動作を行った後（約３４．７μｓｅｃ）、メッシュ構造体８を画素ピッチ相当距離（Ｐｍ（Ｘ））移動させて、次の画素の表示動作を行う。上記の動作原理により、メッシュ構造体の開口部は、Ｘ方向、Ｙ方向それぞれ2画素分の表示動作を行うことが可能となる。【００７１】
このように、メッシュ構造体８を用いて映像表示に同期して駆動することにより、従来の1画素を4画素として使用できる。このため、冷陰極電子源素子４ａのサイズを小さくすることなく高解像度化ができるメリットがある。【００７２】
このようにメッシュ構造体を用いて高解像度化を図ることは、冷陰極電子源の安定動作や信頼性を確保するという観点からも利点がある。【００７３】
一般的に、マトリックス型冷陰極電子源装置では、マトリックス状に並んだ冷陰極電子源素子の動作を個別に制御するためのＸ方向、およびＹ方向に駆動用の配線を備えている。更に、電子源素子の種類によって多少構成は異なるものの、エミッタ先端に電界を印加するためのゲート電極や、駆動用の配線とのコンタクト部分などを備えている。これら異なる平面状の構成要素を垂直方向に積み上げて素子を構成する際、各々の形状の異なる平面状の構成要素を相互に位置合わせする必要がある。位置合わせには、相互のずれを見込んだ設計をする必要があり、このずれ量を一般的に合わせマージンと称している。【００７４】
積層する構成要素が多くなればなる程、合わせマージンのためのスペースが必要となる。電子源素子では、エミッタの数を多くすることが高い電流量の確保と安定性につながるが、合わせマージンのためのスペースが増えるほど、エミッタを形成できるスペースが少なくなることになる。従って、例えば電子源素子の面積が半分になると、エミッタの数は半減に留まらず、３０〜４０％にまで低下してしまい、必要な電流量の確保が難しくなる、或いは必要な電流量を確保するがために個々のエミッタに対する負荷が大きくなるといった問題が生じる。【００７５】
一方、この実施の形態では、電子源素子の面積は維持したままで貫通孔９の面積を１／４とすることで高解像度化が実現できる。電子源素子の面積を半分にする従来の方法に比べて相対的に高い電流密度を維持できるため、電子源素子の安定動作や電子源の長寿命化を実現することが容易になる。【００７６】
この実施の形態の場合、解像度はメッシュ構造体８の貫通孔９の大きさによって決定される。メッシュ構造体８も微細化を進める上では、半導体プロセス、或いはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical systems）技術を用いる必要があるが、メッシュ構造体８の場合は貫通孔９の微細加工のみで、冷陰極電子源素子４ａのような合わせマージンが必要ないため微細化は容易である。【００７７】
更に、従来例では貫通孔９が画素ピッチで隣接して形成するため、従来手法通りに微細化を進めようとすると貫通孔９を保持する壁の部分が非常に薄くなってしまうが、この実施の形態では駆動ピッチ分だけ離れているため、壁の部分を相対的に厚くすることができ、強度的な信頼性が向上するという特徴も有する。【００７８】
なお、この実施の形態では、貫通孔に対する電子源素子の相対的な大きさをＸ方向、Ｙ方向とも２倍とした例を示したが、電子源素子の大きさは２倍に限定されるものではなく、電子ビーム起動から計算される貫通孔サイズと、設計された貫通孔のサイズを実現するためのプロセス上の要請から、２以上の整数倍としても何ら本発明の用件から外れるものではない。【００７９】
また、貫通孔９の断面形状は略垂直形状としたが、貫通孔の電子源アレイ側開口寸法とターゲット側開口寸法は完全に同一になるとは限らず、プロセスでの形状制御の範囲で、プラスマイナス１０％〜２０％程度の範囲で差が生じることは止むを得ない。【００８０】
次に、メッシュ構造体８の駆動方法について図１、図２、および図４を用いて簡単に説明する。【００８１】
メッシュ構造体８には、Ｘ側アクチュエータ７ａが取り付けられており、Ｘ側アクチュエータ７ａのみがＹ側ステージ基板６に固定されている。この構成によって、メッシュ構造体８をＹ側ステージ基板６上でＸ方向に任意の距離移動させることが可能となる。【００８２】
更に、Ｙ側ステージ基板６には、Ｙ側アクチュエータ７ｂが取り付けられており、Ｙ側アクチュエータ７ｂのみが保持基板５に固定されている。この構成によって、Ｙ側ステージ基板６を保持基板５上でＹ方向に任意の距離だけ移動させることができる。【００８３】
以上の構成によって、メッシュ構造体８は、保持基板５に対して相対的にＸ方向とＹ方向に任意の距離移動させることが可能となる。保持基板５は、内周リング１０によりガラススペーサ２上に固定されていることから、メッシュ構造体８は、冷陰極電子源アレイ４に対して相対的にＸ方向，Ｙ方向の任意の位置に移動させることが可能となる。【００８４】
この実施の形態では、Ｘ側アクチュエータ７ａ、Ｙ側アクチュエータ７ｂとして、圧電素子を用いた。圧電素子は小型化が可能であり、しかも数１０Ｖの電圧の印加によって数１０μｍの移動量を得ることができることから、この実施の形態における電子源装置に必要な移動量を実現できる。【００８５】
このアクチュエータを駆動するための信号配線は、図４に示したように、保持基板５、Ｙ側ステージ基板６に形成したＸ側アクチュエータ駆動用引出し配線５ｂと、Ｙ側アクチュエータ駆動用引出し配線５ｃと，メッシュ電極引出し配線５ｄ、および各基板同士を上下に接続するボンディングワイヤー５ｅによって接続する。同時に、保持基板５から背面基板１の上に形成した電極配線（図示せず）にボンディングワイヤーによって接続し、外部からの信号を供給する。なお、同様の手法によって、メッシュ構造体８に対する電位の供給も行っている。【００８６】
なお、この実施の形態では、アクチュエータとして圧電素子を用いているが、アクチュエータは圧電素子に限るものではない。例えば圧電素子以外のアクチュエータも利用可能であり、ＭＥＭＳ技術を用いた微細な直動機構等も用いることができる。更に、この実施の形態ではメッシュ構造体とＸ側アクチュエータを夫々別の部品として取り扱っているが、ＭＥＭＳ技術を用いて一体構造とすることも可能である。同様に、Ｙ側ステージ基板とＹ側アクチュエータも一体構造とすることが可能である。【００８７】
（実施の形態２）
図５Ａ〜図５Ｅは実施の形態１におけるメッシュ構造体８の具体例を示す。【００８８】
図５Ａはメッシュ構造体８の断面模式図、図５Ｂは図５Ａに示した貫通孔部Ａの拡大断面模式図である。【００８９】
メッシュ構造体８は、冷陰極電子源アレイ４に対向する面の導電体層である第一電極９３と、中間層となる絶縁層９２と、ターゲット１４に対向する側の導電体層である第二電極９４とから成る３層構造となっている。【００９０】
第一電極９３と第二電極９４は、各々独立に電位を制御できる構造となっており、各々の電位を適切に制御することによって、冷陰極電子源アレイ４から放出された電子を効率的に、且つ収束性を維持したままターゲット１４に照射することができるため、高い解像度を実現できる。【００９１】
メッシュ構造体８による電子ビームの収束においては、第一電極９３と第二電極９４に印加する電位配分のみならず、第一電極９３、絶縁層９２、および第二電極９４の厚さも影響する。更には、冷陰極電子源アレイと第一電極９３との距離、および第二電極９４とターゲット面との距離も影響するため、電界シミュレーション等の方法を用いて最適設計をする必要があるが、この設計項目については本発明の要件には当たらないため、ここでは説明を省略する。【００９２】
このようなメッシュ構造体８は次の工程で製造できる。【００９３】
まず、基材単結晶Ｓｉ基板の上に中間絶縁層を介して所定の厚さの単結晶Ｓｉが形成されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用意する。【００９４】
メッシュ構造体８を構成する絶縁性材料の厚みを１０ｎｍから１０μｍの範囲で最適な値に選択することとした。メッシュ構造体８による電子ビームの収束機能を最適に発揮させるには、第一電極９３と第二電極９４に印加する電位配分のみならず、第一電極９３、絶縁層９２、および第二電極９４の厚さも最適に設計する必要がある。第一電極９３と第二電極９４には、それぞれ異なる電位を与えて、電子ビームの軌道に対する静電的なレンズ作用を行わせる。シリコン半導体プロセスで用いられているシリコン酸化膜を絶縁性材料として採用する際は、印加する電位に対して高い絶縁耐性を持つメリットがある。例えば、１０ｎｍのシリコン酸化膜を用いる場合は、凡そ50Ｖの耐圧特性を有し、１０μｍの厚さの場合には、凡そ５０ｋＶの高い耐圧特性を有するため厚みに対する設計自由度が増すことになる。【００９５】
ここでは基材Ｓｉ基板の厚さが２００μｍ、中間絶縁層の厚さが２μｍ、絶縁層上に形成された単結晶Ｓｉの厚さが１００μｍのＳＯＩ基板を購入して絶縁層の厚さが１０μｍのメッシュ構造体を作製した。このＳＯＩ基板の基材Ｓｉ基板が、基材Ｓｉ基板９１、中間絶縁層が絶縁層９２、中間絶縁層上に形成された単結晶Ｓｉが第二電極９４となる。なお、第二電極９４は、単結晶Ｓｉに高濃度のリン、砒素等のＮ型不純物を注入して低抵抗化している。【００９６】
単結晶Ｓｉで形成されている第二電極９４の表面全面に、保護膜となるレジスト膜、若しくはＳＯＧ（Spin on Grass）膜を塗布した後、基材Ｓｉ基板９１の裏面に、所定の開口部を有するレジスト膜を塗布し、基材Ｓｉ基板９１の裏面（図５Ａ中の下方面）から水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いてウエットエッチングを行う。ＫＯＨを用いたエッチングは、Ｓｉ単結晶の結晶面によってエッチング速度が異なるため、面方位（１００）の単結晶基板の場合、約４２°の略テーパを持ったエッチング面が形成される。絶縁層９２はＫＯＨではエッチングできないため、Ｓｉのエッチングは絶縁層９２に達したところでそれ以上進まない。レジストを全て剥離後、基材Ｓｉ９１の裏面全面に第一電極９３となる金属膜を成膜する。この実施の形態では、金属膜として厚さ１μｍのＡｌを用いた。【００９７】
次に、第二電極９４の表面に厚さ１００ｎｍの酸化膜を成膜後、レジスト膜を塗布し、貫通孔９に相当する開口部を形成し、まず酸化膜をエッチング後、レジストと酸化膜をマスクとしてドライエッチング法により第二電極９４、絶縁層９２、および第一電極９３を連続的にエッチングし貫通孔９を形成し、メッシュ構造体８が完成する。【００９８】
メッシュ構造体８は、第一電極９３および第二電極９４に各々独立に電圧を印加することで、冷陰極電子源アレイ４から放出した電子を集束してターゲット１４に送る役割を果たす。電子の収束性は、冷陰極電子源アレイ４に形成された冷陰極電子源素子４ａと貫通孔９の下部に位置する第一電極９３の表面との距離、第一電極９３の印加電圧、絶縁層９２の厚さ、第二電極９４の厚さと印加電圧、および第二電極９４の上面とターゲット１４に形成された光電変換膜１３との距離によって決めることができる。なお、この実施の形態では、ＳＯＩ基板の仕様を予め決めることにより、冷陰極電子源アレイ４に形成された冷陰極電子源素子４ａと貫通孔９の下部に位置する第一電極９３との距離は、第一電極９３の厚さによって調整することが可能となる。また、貫通孔９の形成は、半導体加工プロセス技術を用いているため、微細な加工が可能となるという特徴も有している。【００９９】
なお、図５Ｂに示した例では、貫通孔９の断面形状が入口から出口にわたって径が一定、つまり電子ビーム方向（Ｚ軸）に略垂直であったが、次のように構成することも出来る。【０１００】
図５Ｃ〜図５Ｅは、それぞれメッシュ構造体８における貫通孔９の断面形状の一例を示しており、貫通孔９の断面部分の形状は、第二電極９４、絶縁層９２、第一電極９３の材料やエッチング方法によって様々に変えることができる。図５Ｃに示した様なターゲット面に向かって開口部が広くなる構造や、図５Ｄに示した様な第二電極９４の中央部がくびれた形状、更には図５Ｅに示した様なターゲット面に向かって開口部が湾曲しながら狭くなる形状などがある。これらの形状も前述の如く設計項目であり、本発明の要件には当たらないため、ここでは説明を省略する。【０１０１】
（実施の形態３）
図６Ａ，図６Ｂと図７Ａ，図７Ｂは本発明の実施の形態３を示す。【０１０２】
メッシュ構造体８における貫通孔９の断面形状が先の実施の形態とは異なる。その他の構成は実施の形態１と同じである。【０１０３】
この実施の形態３の貫通孔９は、図６Ｂに示すように冷陰極電子源アレイ４に対向する側が大きく、ターゲット１４に対向する側が小さい略テーパ形状になっており、且つ少なくとも貫通孔９の内面は二次電子放出能が１を超える材料で構成されている点にある。【０１０４】
図６Ａはメッシュ構造体８が全て同一の材料でできている場合を示している。９４ｂは第二電極引き出し用のパッドである。図６Ｂは図６Ａにおける貫通孔部Ａの拡大断面模式図である。【０１０５】
メッシュ構造体８は、メッシュ構造体８の大部分をなす基層の厚さが５０μｍ以上である条件とした。メッシュ構造体をＭＥＭＳ製造ラインを用いて製作する場合は、構造体の製造単価を引き下げるために、出来るだけ大きなウエハサイズ（４インチ以上）を用いることが望ましい。実施の形態２で述べたようなプロセスを用いる場合、それぞれの製造装置内のウエハ搬送時に、ウエハの破損やキズを発生させないことが要求される。貫通孔構造を有する微細電極をウエハ上に作製すると、ウエハの機械強度が大幅に低下し、場合によってはウエハに破損につながる恐れが発生する。メッシュ構造体８の基層の厚さを５０μｍ以上に設定しておけば、上記の微細構造体を形成した後においても、ウエハの機械強度が十分に保たれ、ウエハの破損を引き起こす恐れはほとんどなくなる。【０１０６】
図６Ｂにおいて、冷陰極電子源アレイ４に対向する貫通孔９の開口部の径をＤ１、ターゲット１４の側に対向する貫通孔９の開口部の径をＤ２とした時、Ｄ２は前述の通り、解像度の要請から決まる画素寸法とほぼ同等の寸法となる。冷陰極電子源素子４ａから放出された電子ビームの一部は貫通孔９の内面に当たらずに直接にターゲット１４面に到達するが、一部は略テーパ上に形成された貫通孔９の内面に衝突する。この時、メッシュ構造体８を形成する材料の二次電子放出能が１以下の場合は、内面に衝突した電子がそのままメッシュ構造体８に吸収されてターゲット１４側に電子は出てこない。一方、この実施の形態で示したメッシュ構造体８を構成する材料は１を超える二次電子放出能を有しているため、貫通孔９の内面に衝突した電子Ｅによって二次電子が生成される。生成された二次電子は、ターゲット１４に対向する開口部に近ければ、そのままターゲット１４に向かう。ターゲット１４から遠い場合は、貫通孔９の内面に再度衝突し、そこで新たな二次電子を生成するという現象を繰り返し、ターゲット１４の側の開口部に到達したところで生成された二次電子がターゲット１４に向かう。【０１０７】
なお、この実施の形態の場合、冷陰極電子源素子４ａから放出された電子が冷陰極電子源素子４ａの側に戻るのを抑えるために、メッシュ構造体８に所定の電圧を印加することが有効である。この場合、メッシュ構造体８自身が第二電極９４として機能する。【０１０８】
略テーパ形状の貫通孔９の加工は、以下のようにして行う。【０１０９】
まず、ＳＵＳ等の金属板の一方の表面にレジストを塗布し、フォトリソプロセスを用いて貫通孔９のＤ２に相当する開口を形成する。また、裏面側には、全面に同じくレジストを塗布しておく。前記金属板をエッチングする溶液にレジストを溶かす成分を添加した薬液中にこの金属板を所定の時間浸すと、前記金属板の厚さ方向のエッチングと同時に、レジストが少しずつ溶ける事でレジスト開口部が広がり、同時にレジストが溶け出した部分の金属板のエッチングが進む。エッチングが前記金属板の厚さ分まで進行したところで前記金属板をエッチング液から引き出し、所定の洗浄とレジストの剥離を行うと、概ね図示した断面形状を有する貫通孔９が得られる。【０１１０】
図６Ａ，図６Ｂに示した実施の形態の場合、メッシュ構造体８に略テーパ形状の貫通孔を形成するだけのため、作製が容易という利点がある。【０１１１】
図７Ａ，図７Ｂはこの実施の形態３の別の例を示している。【０１１２】
図７Ａは、メッシュ構造体８の基材として微細加工性に優れたＳｉ基板を用いた場合を示している。Ｓｉ自身は二次電子放出能が低いため、例えばＭｇＯ膜の様な二次電子放出能の高い二次電子放出膜９５を貫通孔９の内面に成膜する。貫通孔９の内面に二次電子放出膜９５を形成する方法としては、前述の実施の形態２で示した製造方法において、エッチング完了後、エッチング液を所定の方法で除去、洗浄した後、レジストを残したまま真空蒸着法等を用いて、開口の広い面側から二次電子放出膜９５を所定の厚さだけ成膜する。その後にレジスト剥離を行うと、貫通孔９の内面にのみ二次電子放出膜９５が形成されたメッシュ構造体８が作製できる。また、二次電子放出膜９５がメッキ法で成膜できる材料である場合は、レジストを残した状態でメッキを行うことで、同様の構成のメッシュ構造体８を作製することができる。【０１１３】
図７Ｂは、貫通孔９の内面に加えて、第二電極９４の下面に二次電子放出膜９５を成膜した構成となっている。この構成により、冷陰極電子源素子４ａから放出された電子のうち、第一電極９５の下面に当った電子から生成された二次電子も生成するため、ターゲット１４に対して高い電流量を得ることができる。【０１１４】
なお、メッシュ構造体の厚みをＴとすると、ターゲット１４に対向する貫通孔の開口径：Ｄ２、冷陰極電子源アレイ４に対向する貫通孔の開口径：Ｄ１の関係は、以下の関係を満足するのが好ましい。ここで、θはスピント型エミッタから放出される電子の広がり角とする。【０１１５】
ｔａｎθ  ＜  （Ｄ２−Ｄ１）／（２＊Ｔ）・・・・（数式Ａ）
メッシュ構造体による電子ビームのトリミング効果について上記関係式を用いて説明する。【０１１６】
スピント型エミッタの場合、一般にエミッタから放出される電子の放出角はおよそ鉛直方向に片側３０°の広がり角を有している。【０１１７】
メッシュ構造体の厚みが開口径に比べて十分厚い（Ｔ＞＞Ｄ１，Ｄ２）場合には、貫通孔の開口径Ｄ２，Ｄ１が同程度であれば、電子ビームのトリミング効果は十分である。【０１１８】
しかしながら、半導体材料やプロセスを利用してメッシュ構造体を作製することが一般的であるため、現実にはせいぜい同程度か数倍の値に制約される。この場合には、電子ビームの広がり成分をメッシュ構造体によりトリミングできないため、解像度を劣化させる要因ともなる。【０１１９】
上記の（数式Ａ）を満足する条件でメッシュ構造体を作製しておけば、原理的には電子ビームの広がり成分の大半がメッシュ構造体の貫通孔の側壁に衝突して吸収・除去されるため、貫通孔を通過してターゲット方向に進行する電子ビームは略平行ビームとなるようにトリミングされ、解像度を高く維持する効果が期待できる。【０１２０】
（実施の形態４）
図８は本発明の実施の形態４を示す。【０１２１】
メッシュ構造体８における貫通孔９の断面形状が先の実施の形態とは異なる。その他の構成は実施の形態３と同じである。【０１２２】
この実施の形態４では、メッシュ構造体８に形成された貫通孔９が、冷陰極電子源アレイ４に対向する側が大きく、ターゲット１４に対向する側が小さい略テーパ形状になっており、且つ少なくとも貫通孔９の内面は二次電子放出能が１を超える材料で構成されている点では、上述の実施の形態３で示した構成と同じであるが、この実施の形態では、メッシュ構造体８のターゲット１４に近い面側に、絶縁層９２ｂを介して第三電極９６が形成されている。この構成では、冷陰極電子源素子４ａの側から放出された電子は、第二電極９４となる略テーパ形状の貫通孔９に衝突する。テ−パ形状の貫通孔９の内面には、二次電子放出能が１を超える膜が形成されており、電子の衝突により二次電子が放出される。
このような構成では、第二電極９４と第三電極９６を所定の電位に設定することで、生成された二次電子を効率的にターゲット１４の側に引き出すことができると共に、貫通孔９を通過した電子の収束性も高めることができるという利点がある。【０１２３】
貫通孔９の加工は、以下のように行う。【０１２４】
まず、基材Ｓｉ基板９１の表面（図８中では上面側）に熱酸化法により絶縁層９２ｂを形成する。次に、基材Ｓｉ基板９１の裏面側（図８中では下面側）にレジストを塗布し、所定の径の開口部を形成したのち、絶縁層９２ｂが露出するまでＫＯＨを用いたウエットエッチングを行う。このとき前述した様に、単結晶のＳｉは結晶面に対して異方的にエッチングされるため、約４２°のテーパ角を有する形状が形成される。【０１２５】
レジストを剥離した後、Ｓｉのテーパ形状が形成された面にネガレジストを塗布し、絶縁層９２ｂの上面側から全面に露光を施す。その後、レジストを現像すると、絶縁層９２ｂの下部のレジストが残り、基材Ｓｉ基板９１の裏面のレジストが除去される。この状態で、基材Ｓｉ基板９１の裏面側に二次電子放出能の高いＭｇＯ膜等を真空蒸着法等により成膜した後、レジスト剥離を行うと基材Ｓｉ基板９１の裏面にのみ二次電子放出膜９５が形成される。【０１２６】
その後、絶縁層９２ｂの面側にネガレジストを塗布し、Ｓｉ基材側から全面に露光を施してレジストを現像すると、Ｓｉ基材のテーパ形状の開口部上にのみレジストが残る。この状態で絶縁層９２ｂおよびパターニングされたレジスト膜表面に真空蒸着法を用いてＣｒ等の金属膜を所定の厚さに成膜し、続けてレジスト剥離を行うと、レジストと同時にレジスト表面に成膜された金属膜が除去される。次に、Ｃｒ等の金属膜をマスクとして絶縁層９２ｂをエッチングして開口部を形成することで、メッシュ構造体８が完成する。【０１２７】
この構成によれば、冷陰極電子源素子４から放出された電子ビームは、メッシュ構造体８に吸収されることなく、冷陰極電子源素子４から放出された電子ビーム量とほぼ同等の電子ビーム量をターゲット面に供給することが可能となる。更に、第二電極９４と第三電極９６を所定の電位に設定することにより、貫通孔９の内面で生成された二次電子を効率よく、且つ電子の軌道を制御することが可能となり、ターゲット１４面での電流密度と解像度を向上させることができる。【０１２８】
メッシュ構造体８は、前述の通り解像度のピッチ相当分移動するため、従来の１画素と同じ大きさで電子源素子を構成した場合に比べ、整数倍の面積を有する電子源素子から放出される電子ビームの大半を１画素に供給することが可能となり、高い電子ビーム量を得ると同時に、高い解像度を実現することが可能となる。【０１２９】
なお、上記の各実施の形態ではマトリックス型冷陰極電子源装置の具体例として撮像装置の場合を例に挙げて説明したが、ターゲット１４の表面に、光電変換膜１３に代わって蛍光体膜を形成したＦＥＤの場合も同様に実施できる。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明は、冷陰極を用いたマトリックス型電子源装置を要部としている電界放射型ディスプレイ装置、高感度撮像装置などの高解像度化に寄与できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年8月5日(2010.8.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子を放出する複数のエミッタを有する冷陰極電子源素子が第１のピッチでマトリックス状に配置された冷陰極電子源アレイと、
前記冷陰極電子源アレイに対向し貫通孔が前記第１のピッチで複数配列した貫通孔群を有するメッシュ構造体と、
前記冷陰極電子源アレイとメッシュ構造体を介して対向し、前記冷陰極電子源アレイから放出され、前記メッシュ構造体の貫通孔を通過した電子ビームが衝突する位置に配置されたターゲットと、
前記メッシュ構造体を前記貫通孔の第１の配列方向および第２の配列方向に駆動する駆動部とを備えた
マトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項２】
前記駆動部を、前記第１，第２の配列方向にそれぞれ前記第１のピッチの（１／Ｎ）（Ｎは２以上の整数）刻みで前記第１のピッチまで前記メッシュ構造体を駆動するよう構成した
請求項１記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項３】
前記メッシュ構造体が、
少なくとも冷陰極電子源素子と対向する面とターゲットに対向する面、および貫通孔の内面が導電性材料で覆われており、且つ前記導電性材料の表面に外部より所定の電位を印加できる構造であることを特徴とする
請求項１または請求項２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項４】
前記メッシュ構造体の厚さが、１０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする
請求項１〜請求項３の何れかに記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項５】
前記メッシュ構造体の貫通孔の断面形状が、電子ビーム方向に略垂直であることを特徴とする
請求項１〜請求項４の何れかに記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項６】
前記メッシュ構造体が、冷陰極電子源素子と対向する面、若しくはターゲットと対向する面の少なくともどちらか一方が導電性材料で覆われており、前記導電性材料で覆われた面に接して絶縁性材料が形成された構造を有し、前記導電性材料で覆われた面には、独立に外部より電位を印加できる構造であることを特徴とする
請求項１または請求項２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項７】
前記メッシュ構造体を構成する導電性材料の厚さが１０μｍ以上５００μｍ以下であり、前記メッシュ構造体を構成する絶縁性材料の厚さが１０ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする
請求項６記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項８】
前記メッシュ構造体は、前記メッシュ構造体の大部分をなす基層と、前記基層が冷陰極電子源素子と対向する面、若しくはターゲットと対向する面の少なくともどちらか一方が、前記基層よりも低抵抗の導電性材料で覆われた面を有する構造であり、前記基層を形成する材料、若しくは前記基層に形成された貫通孔の表面は二次電子放出能を有する材料であることを特徴とする
請求項１または請求項２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項９】
前記メッシュ構造体は、前記メッシュ構造体の大部分をなす基層の厚さが５０μｍ以上であることを特徴とする
請求項８記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項１０】
前記メッシュ構造体の貫通孔の断面形状が略テーパ形状であり、ターゲット面に対向する貫通孔の開口径に対して、冷陰極電子源アレイに対向する貫通孔の開口径が大きいことを特徴とする
請求項８記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項１１】
前記略テーパ形状の断面形状を有する貫通孔は、ターゲット面に対向する貫通孔の開口径：Ｄ２と冷陰極電子源アレイに対向する貫通孔の開口径：Ｄ１の関係は、前記メッシュ構造体の厚みをＴ、スピント型エミッタから放出される電子の広がり角をθとすると、
ｔａｎθ  ＜  （Ｄ２−Ｄ１）／（２・Ｔ）
であることを特徴とする
請求項８記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項１２】
前記ターゲットは、表面に蛍光体膜が形成されていることを特徴とする
請求項１または請求項２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項１３】
前記ターゲットには、表面に光電変換膜が形成されていることを特徴とする
請求項１または請求項２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【請求項１４】
前記駆動部は、前記冷陰極電子源素子の電子放出のタイミングと同期して動くことを特徴とする
請求項１または請求項２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷陰極を用いたマトリックス型電子源装置に関するものであり、特に冷陰極電子源素子が、マトリックス状に配置された電子源アレイと、電子源アレイに対向し貫通孔が複数配列したメッシュ構造体と、電子源アレイとメッシュ構造体を介して対向し電子源アレイから放出されメッシュ構造体の貫通孔を通過した電子ビームにより所定の動作を行うターゲットとにより構成された電界放射型ディスプレイ装置、或いは高感度撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
タングステンやモリブデンの様な高融点金属を突起状に形成し、真空中において、その先端部に外部より電界を印加することで、金属先端部に誘起された電子が外部に放出される。通常、この突起状の金属をエミッタと称し、また、このエミッタから電子が放出される現象を電界放出、或いは電界放射と称している。
【０００３】
この電界放出によって電子を外部に放出する素子は、電界放出型電子源素子、或いは冷陰極電子源素子と称され、近年様々な分野で利用されている。例えば、従来の熱フィラメントに代わって電子顕微鏡用の電子源としての用途や、電子源素子に対向して、蛍光体膜を形成したアノード電極に引き込むことで蛍光体を発光させた蛍光表示管等である。
【０００４】
エミッタは微小な構造であることが多く、単独で用いると十分な電流量が確保できないため、複数のエミッタを一つの群として電流量を確保する。本明細書では、このエミッタの集合体を「冷陰極電子源素子」と称している。
【０００５】
更に、冷陰極電子源素子をマトリックス状に複数配列して冷陰極電子源アレイを構成し、対抗する側にＲＧＢに対応した蛍光体を形成したアノード電極を配置し、電界放出された電子をアノード電極に引き出すことで蛍光体を光らせる電界放出型ディスプレイ（Ｆield Ｅmission Ｄisplay）が実用化されている。一例として、図９と図１０に示したスピント型エミッタを用いたＦＥＤについて説明する。
【０００６】
ＦＥＤは、カソード基板１０１とアノード基板１１１が対向して配置された構成となっている。
【０００７】
カソード基板１０１の表面には、ストライプ状のエミッタ信号配線１０２ａが互いに平行に形成され、さらにエミッタ信号配線１０２ａを覆うようにゲート絶縁膜１０３が形成されている。ゲート絶縁膜１０３の表面には、エミッタ信号配線１０２ａと直行するようにストライプ状のゲート信号配線１０４ａが形成されている。
【０００８】
ゲート信号配線１０４ａおよびゲート絶縁膜１０３には、エミッタ信号配線１０２ａと交差する領域に複数の開口部１０４ｂが形成されており、開口部１０４ｂの内側で前記エミッタ信号配線１０２ａ上にエミッタ１０５が形成されている。このゲート信号配線１０４ａの表面の開口部１０４ｂがゲート電極となり、ゲート信号配線１０４ａを通じてゲート電極１０４ｂに電界を印加することで、エミッタ１０５の先端からの電子放出を生じさせることができる。この複数のエミッタ１０５とゲート電極（＝開口部１０４ｂ）が形成された領域が冷陰極電子源素子領域となる。
【０００９】
カソード基板１０１と対向したアノード基板１１１には、カソード基板１０１と対向する面の全面に、透明導電膜（ＩＴＯ）のアノード電極１１２が形成されており、アノード電極１１２の上に、赤，緑，青の蛍光体１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂがストライプ状に順番に形成されている。各々の蛍光体１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂは、カソード基板１０１上に形成されたゲート信号配線１０４ａと平行になるように形成されている。
【００１０】
このように構成されたＦＥＤでは、マトリックス状に配列された複数の電子源素子からの電子放出を、映像回路の出力信号に基づいて順次制御することにより、アノード基板１１１の表面に所望の映像を表示することができる。
【００１１】
また、同様の構成において、前記蛍光体１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂに代わってアノード基板１１１の表面に光電変換膜（図示せず）を形成し、外部からの光により誘起された正孔−電子対を、電子源素子からの放出電子により読み取る撮像素子を構成できる。
【００１２】
ＦＥＤや撮像素子では、一つの電子源素子から放出された電子のアノード電極面で面積によって、発光、或いは撮像の解像度が決まる。そこで、高解像度のＦＥＤや撮像素子を得ようとすれば、電子源素子の電子放出面の面積を小さくすることが一つの手段となるが、電子源素子の面積を小さくし過ぎると放出電流が少なくなり、必要な電流量が確保できなくなる。
【００１３】
更に、冷陰極電子源から放出される電子は、アノード電極１１２に向かって全てが真直ぐ飛び出す訳ではなく、一定の広がりを持っている。これは、電子源を構成するエミッタ１０５の先端が製造工程において一定の曲率半径を有しているためであり、曲率面に対して垂直に電子が飛び出すことにより一定の広がりを持った電子ビームが放出される。
【００１４】
そのため、アノード面（＝アノード基板１１１の表面）で解像度に応じた面積の電子ビームを得ようとすれば、電子源から放出された電子の広がりを抑える、或いは必要以上に広がった部分の電子がアノード面に到達しないようにする必要があり、前者を実現するための技術を電子ビームの集束技術、後者を実現するための技術をトリミング技術と称し、特許文献１，特許文献２などの技術が報告されている。
【００１５】
この特許文献１，特許文献２には、電子源素子とアノード電極の間にメッシュ電極を設け、メッシュ電極に所定の電圧を印加することで、電子源素子からの電子を引き出し、メッシュ電極からアノード面に向かう電子ビームをほぼ法線方向に揃えた集束技術が記載されている。
【００１６】
また、本発明者らが発明者である特許文献３，特許文献４では、メッシュ構造体自身に電界分布を形成することで、電子源から放出された電子ビームのうち、法線方向の電子ビームを選択的に通過させて、アノード面での電子ビームの広がりを抑える技術が提示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２０００−０４８７４３号公報
【特許文献２】特開２００５−２２８５５６号公報
【特許文献３】特開２００７−２５０５３１号公報
【特許文献４】特開２００７−２５０５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上記構成では、メッシュ電極、或いはメッシュ構造体によりアノード面への電子ビームの直交性は改善されるが、仮に、全ての電子がアノード面に垂直に入射するとしても、電子ビームの最小サイズは電子源素子のサイズで決まることになる。従って、外径サイズが決まっている場合、解像度を高くしようとすれば、電子源素子のサイズを小さくする必要がある。
【００１９】
しかしながら、電子源素子のサイズを小さくすると、配置可能なエミッタの数が少なくなってしまうという課題が生じる。
【００２０】
また、エミッタ自身をより微細化するという対策も考えられるが、フォトリソグラフィ法工程におけるアライメントマージンに必要な面積や、プロセス上の寸法制御のマージン等を考慮すると、電子源の微細化にも一定の限度があり、高解像度化が困難となる。
【００２１】
本発明は、電子源素子のサイズを従来のように小さくすることなく解像度を高くできるマトリックス型冷陰極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】
【００２２】
本発明の請求項１記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、電子を放出する複数のエミッタを有する冷陰極電子源素子が第１のピッチでマトリックス状に配置された冷陰極電子源アレイと、前記冷陰極電子源アレイに対向し貫通孔が前記第１のピッチで複数配列した貫通孔群を有するメッシュ構造体と、前記冷陰極電子源アレイとメッシュ構造体を介して対向し、前記冷陰極電子源アレイから放出され、前記メッシュ構造体の貫通孔を通過した電子ビームが衝突する位置に配置されたターゲットと、前記メッシュ構造体を前記貫通孔の第１の配列方向および第２の配列方向に駆動する駆動部とを備えたことを特徴とする。
【００２３】
本発明の請求項２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１において、前記駆動部を、前記第１，第２の配列方向にそれぞれ前記第１のピッチの（１／Ｎ）（Ｎは２以上の整数）刻みで前記第１のピッチまで前記メッシュ構造体を駆動するよう構成したことを特徴とする。
【００２４】
本発明の請求項３記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１または請求項２において、前記メッシュ構造体が、少なくとも冷陰極電子源素子と対向する面とターゲットに対向する面、および貫通孔の内面が導電性材料で覆われており、且つ前記導電性材料の表面に外部より所定の電位を印加できる構造であることを特徴とする。
【００２５】
本発明の請求項４記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１〜請求項３の何れかにおいて、前記メッシュ構造体の厚さが、１０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする。
【００２６】
本発明の請求項５記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１〜請求項４の何れかにおいて、前記メッシュ構造体の貫通孔の断面形状が、電子ビーム方向に略垂直であることを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項６記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１または請求項２において、前記メッシュ構造体が、冷陰極電子源素子と対向する面、若しくはターゲットと対向する面の少なくともどちらか一方が導電性材料で覆われており、前記導電性材料で覆われた面に接して絶縁性材料が形成された構造を有し、前記導電性材料で覆われた面には、独立に外部より電位を印加できる構造であることを特徴とする。
【００２８】
本発明の請求項７記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項６において、前記メッシュ構造体を構成する導電性材料の厚さが１０μｍ以上５００μｍ以下であり、前記メッシュ構造体を構成する絶縁性材料の厚さが１０μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。
【００２９】
本発明の請求項８記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１または請求項２において、前記メッシュ構造体は、前記メッシュ構造体の大部分をなす基層と、前記基層が冷陰極電子源素子と対向する面、若しくはターゲットと対向する面の少なくともどちらか一方が、前記基層よりも低抵抗の導電性材料で覆われた面を有する構造であり、前記基層を形成する材料、若しくは前記基層に形成された貫通孔の表面は二次電子放出能を有する材料であることを特徴とする。
【００３０】
本発明の請求項９記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項８において、前記メッシュ構造体は、前記メッシュ構造体の大部分をなす基層の厚さが５０μｍ以上であることを特徴とする。
【００３１】
本発明の請求項１０記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項８において、前記メッシュ構造体の貫通孔の断面形状が略テーパ形状であり、ターゲット面に対向する貫通孔の開口径に対して、冷陰極電子源アレイに対向する貫通孔の開口径が大きいことを特徴とする。
【００３２】
本発明の請求項１１記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項８において、径：Ｄ２と冷陰極電子源アレイに対向する貫通孔の開口径：Ｄ１の関係は、前記メッシュ構造体の厚みをＴ、スピント型エミッタから放出される電子の広がり角をθとすると、ｔａｎθ  ＜  （Ｄ２−Ｄ１）／（２・Ｔ）であることを特徴とする。
【００３３】
本発明の請求項１２記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１または請求項２において、前記ターゲットは、表面に蛍光体膜が形成されていることを特徴とする。
【００３４】
本発明の請求項１３記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１または請求項２において、前記ターゲットには、表面に光電変換膜が形成されていることを特徴とする。
【００３５】
本発明の請求項１４記載のマトリックス型冷陰極電子源装置は、請求項１または請求項２において、前記駆動部は、前記冷陰極電子源素子の電子放出のタイミングと同期して動くことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によると、電子源素子を小さくすることなく、即ち電子源素子の電流密度を低下させることなく高解像度化を実現して、信頼性の高いマトリックス型冷陰極電子源装置を実現でき、高解像度、高輝度のＦＥＤや、高解像度、高感度の撮像素子を実現できる。
【００３７】
請求項１または請求項２の構成によると、電子源素子の面積を解像度に併せて小さくする必要が無いため、十分な電流量を安定的に確保できると同時に、ターゲット面に照射される電子は貫通孔の開口径に併せて絞ることが可能となるため、高解像度の電子源装置を実現することができる。
【００３８】
請求項３の構成によると、メッシュ構造体よりターゲットに向かう電子を効果的にターゲット面に送ることが可能となり、高感度の電子源装置を実現することができる。
【００３９】
請求項４の構成によると、メッシュ構造体を通過する電子の収束性を制御できると同時に、メッシュ構造体に衝突して消滅する電子の量を少なくすることで、ターゲット面での電流密度を高めることができる。また、メッシュ構造体の強度を維持しつつ、加工が容易となるため、製造工程における信頼性、歩留りを確保することができる。
【００４０】
請求項５の構成によると、貫通孔における電子の消失が少なく、且つ直進性を持った電子をターゲット面に送ることができる。
【００４１】
請求項６の構成によると、メッシュ構造体を通過する電子の軌道を外部電界で制御することで、収束性と直進性を制御することが可能となり、高解像度の電子源素子を実現できる。
【００４２】
請求項７の構成によると、メッシュ構造体を通過する電子の収束性を制御できると同時に、メッシュ構造体に衝突して消滅する電子の量を少なくすることで、ターゲット面での電流密度を高めることができる。また、メッシュ構造体の強度を維持しつつ、加工が容易となるため、製造工程における信頼性、歩留りを確保することができる。
【００４３】
請求項８の構成によると、メッシュ構造体の貫通孔内面に電子が衝突しても、二次電子が放出されることで電子が消失することなく、高い電流密度を維持することができる。
【００４４】
請求項９の構成によると、メッシュ構造体の製造を容易にし、また、メッシュ構造体の強度を保つ役割を果たすことで、マトリックス型冷陰極電子源装置の信頼性を確保することができる。
【００４５】
請求項１０の構成によると、貫通孔内面で生成された二次電子が発散されることなくターゲット面に向かうため、高い電流密度と収束性が実現できる。
【００４６】
請求項１１の構成によると、電子源素子から放出された電子を無駄なくターゲット面に導くことが可能となり、高い電流密度を実現できる。
【００４７】
請求項１２の構成によると、高解像度の表示装置を実現することができる。
【００４８】
請求項１３の構成によると、解像度の高い高感度の撮像装置を実現することができる。
【００４９】
請求項１４の構成によると、高解像度の表示装置或いは撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１に係るマトリックス型冷陰極電子源装置の分解斜視図
【図２】同実施の形態の断面構造の模式図
【図３】同実施の形態の機能を説明する分解斜視図
【図４】同実施の形態の構造と駆動方法を説明する要部の平面図
【図５Ａ】本発明の実施の形態２に係るマトリックス型冷陰極電子源装置のメッシュ構造体の断面図
【図５Ｂ】同実施の形態のメッシュ構造体の別の例を示す貫通孔部の拡大断面図
【図５Ｃ】同実施の形態のメッシュ構造体の別の例を示す貫通孔部の拡大断面図
【図５Ｄ】同実施の形態のメッシュ構造体の別の例を示す貫通孔部の拡大断面図
【図５Ｅ】同実施の形態のメッシュ構造体の別の例を示す貫通孔部の拡大断面図
【図６Ａ】本発明の実施の形態３に係るマトリックス型冷陰極電子源装置のメッシュ構造体の断面の模式図
【図６Ｂ】同実施の形態のメッシュ構造体の電子の挙動を説明する貫通孔部の拡大断面図
【図７Ａ】同実施の形態の別の例を示す貫通孔部の拡大断面図
【図７Ｂ】同実施の形態の別の例を示す貫通孔部の拡大断面図
【図８】本発明の実施の形態４に係るマトリックス型冷陰極電子源装置のメッシュ構造体における貫通孔部の拡大断面図
【図９】従来のＦＥＤの基本構成を示す拡大斜視図
【図１０】同従来例の断面図
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下、本発明の各実施の形態を図１〜図８に基づいて説明する。
【００５２】
（実施の形態１）
図１〜図４は本発明の実施の形態１のマトリックス型冷陰極電子源装置を示す。
【００５３】
図１は分解斜視図、図２は組立て後の断面図である。
【００５４】
背面基板１の上には、フリットガラスを用いて接合したリング状のガラススペーサ２が取り付けられている。ガラススペーサ２の内側の前記背面基板１上には、冷陰極電子源アレイ４が銀ペースト等を用いて貼り付けられている。
【００５５】
冷陰極電子源アレイ４は、複数のエミッタが一つの群として成る冷陰極電子源素子４ａがＸＹ方向に複数マトリックス状に配列された構造を有している。なお、図２においては、簡略化のため各々の冷陰極電子源素子４ａを一つのエミッタとしてＳｉ基板３の上に図示している。冷陰極電子源素子４ａは第１のピッチＰ１でマトリックス状に配置されている。
【００５６】
ガラススペーサ２の上面には、中央に窓５ａが形成されている保持基板５が配置されている。この保持基板５は、金属Ｉｎよりなる内周リング１０とステンレス製の外周リング１１によってガラススペーサ２に固定されている。
【００５７】
保持基板５の上には、中央に窓６ａが形成されているＹ側ステージ基板６をＹ軸方向に移動させることができる駆動部としてのＹ側アクチュエータ７ｂが固定されている。Ｙ側ステージ基板６には、メッシュ構造体８をＸ軸方向に移動させることができる駆動部としてのＸ側アクチュエータ７ａが固定されている。
【００５８】
このようにメッシュ構造体８は、Ｘ側アクチュエータ７ａとＹ側アクチュエータ７ｂを介して保持基板５に取り付けられており、Ｘ側アクチュエータ７ａとＹ側アクチュエータ７ｂの運転によってメッシュ構造体８を、Ｘ方向、Ｙ方向に所定の距離だけ移動できる構造となっている。
【００５９】
メッシュ構造体８は、基材となる導電性の薄板に所定の間隔でマトリクス状に貫通孔９が形成されている。なお、メッシュ構造体８は、必ずしも全て導電性である必要はなく、少なくとも表面、裏面、および貫通孔内面が導電性を有していれば良く、例えば微細加工したガラスの表面にメッキ法等を用いて導電膜を形成してもよい。
【００６０】
内周リング１０とステンレス製の外周リング１１の先端の内周部には、前面基板１５が取り付けられている。前面基板１５には、メッシュ構造体８の側表面に透明導電膜１２が成膜されており、アノードピン１６と電気的に接続されている。透明導電膜１２の表面には光電変換膜１３が形成されており、外部から所定の電圧をアノードピン１６に印加することにより、透明導電膜１２を介して光電変換膜１３に電圧印加できる構成となっている。前面基板１５と透明導電膜１２と光電変換膜１３などで構成されるユニットは、冷陰極電子源アレイ４から見てターゲット１４である。前記貫通孔９は、冷陰極電子源アレイ４の法線方向と前面基板１５を結ぶ線と略平衡となるように形成されている。
【００６１】
組み立て作業の際には、ガラススペーサ２と前面基板１５の間に内周リング１０を挟み、背面基板１と前面基板１５の上下から圧力を加えると、内周リング１０が塑性変形し、背面基板１、ガラススペーサ２、内周リング１０、および前面基板１５で囲まれた空間が気密封止される。高真空中で本作業を行うことで、冷陰極電子源アレイ４を高真空中に保持することができる。
【００６２】
このように、ターゲット１４に光電変換膜１３を設けた撮像装置では、外部からの光により誘起された正孔−電子対を、冷陰極電子源アレイ４からの放出電子により読み取ることができる。
【００６３】
ここで、メッシュ構造体８と冷陰極電子源素子４ａ、ターゲット１４との関係について、図３を参照しながら詳しく説明する。冷陰極電子源素子４ａは、マトリクス状に配置された冷陰極電子源アレイ４の中のひとつのセルとして構成されている。
メッシュ構造体８には、冷陰極電子源アレイ４における冷陰極電子源素子４ａの配置間隔である第１のピッチＰ１と同じピッチで貫通孔９がマトリックス状に形成されている。ここでは、メッシュ構造体８に形成された貫通孔９のＸ方向，Ｙ方向のピッチをそれぞれＰｍ（Ｘ），Ｐｍ（Ｙ）、貫通孔９が略垂直と仮定した時の貫通孔９の開口部のＸ方向，Ｙ方向幅をＤｍ（Ｘ），Ｄｍ（Ｙ）とする。また、１セル分の冷陰極電子源素子４ａのエミッタ領域４ｂのＸ方向，Ｙ方向幅をＰｅｍ（Ｘ），Ｐｅｍ（Ｙ）とする。更に、表示デバイスの場合においては、ターゲット上に仮想的に描く１画素分の撮像面のＸ方向，Ｙ方向幅をＤｔ（Ｘ），Ｄｔ（Ｙ）とする。
【００６４】
従来例の形態では、冷陰極電子源素子４ａのエミッタ領域４ｂと貫通孔９の大きさ、更にはターゲット１４上の１画素分の撮像領域の大きさをほぼ等しく形成されており、
Ｐｅｍ（Ｘ）≒Ｄｍ（Ｘ）≒Ｄｔ（Ｘ）
Ｐｅｍ（Ｙ）≒Ｄｍ（Ｙ）≒Ｄｔ（Ｙ）
の関係式が成り立っていた。表示デバイスにおいて解像度を高くするためには、Ｄｔ（Ｘ）、Ｄｔ（Ｙ）を小さくする必要がある。即ちＰｅｍ（Ｘ），Ｐｅｍ（Ｙ）を小さくする必要があるが、冷陰極電子源素子の面積を小さくすることは、前述のとおりエミッタの集積度限界やプロセスマージンの影響が大きいなどの理由により実現が困難となっていた。
【００６５】
これに対して本実施の形態では、冷陰極電子源素子４ａの大きさを変更することなく、表示デバイスの解像度を２倍にできる方法について以下に説明する。
メッシュ構造体８の貫通孔９の大きさを、図３に示したようにターゲット１４の１画素に相当する大きさとし、エミッタ領域４ｂの大きさを、Ｘ方向、Ｙ方向とも略２倍となる大きさとして配置した。すなわち、
Ｄｍ（Ｘ）≒Ｄｔ（Ｘ）≒（１／２）Ｐｅｍ（Ｘ）
Ｄｍ（Ｙ）≒Ｄｔ（Ｙ）≒（１／２）Ｐｅｍ（Ｙ）
の関係式が成り立つように構成されている。
【００６６】
メッシュ構造体８は前述のようにアクチュエータ７ａ，７ｂを介して取り付けられている。このアクチュエータ７ａ，７ｂにより、メッシュ構造体８はＸ方向，Ｙ方向に各々Ｐｍ（Ｘ），Ｐｍ（Ｙ）だけ移動させることができる。このＰｍ（Ｘ），Ｐｍ（Ｙ）は、冷陰極電子源アレイ４におけるＸ方向，Ｙ方向の画素ピッチに相当する。即ち、アクチュエータ７ａ，７ｂを用いて図中Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの領域に冷陰極電子源素子４ａの電子放出のタイミングと同期して移動させることにより、ターゲットのＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの領域に電子ビームを照射させることができる。
【００６７】
このように、メッシュ構造体８を構成することにより、従来の１画素を４画素として使用できるので、冷陰極電子源素子４ａのサイズを小さくすることなく高解像度化ができる。
【００６８】
ＦＥＤなどの表示素子として用いる場合において、アクチュエータ７ａ，７ｂと電子源アレイ４の構成とタイミング動作について以下に簡単に説明する。
【００６９】
メッシュ構造体８は、冷陰極電子源アレイ４に対向して配置される。貫通孔９は、第１のピッチ：Ｐ１で複数配列した貫通孔群を有する。ターゲット１４は、メッシュ構造体８に対向して配置され、冷陰極電子源アレイ４から放出されてメッシュ構造体８の貫通孔９を通過する電子ビームが衝突する位置に配置されている。Ｘ側アクチュエータ７ａおよびＹ側アクチュエータ７ｂは、メッシュ構造体８を貫通孔９の第１の配列方向（Ｘ軸）および第２の配列方向（Ｙ軸）に移動させる駆動部としての機能を備えている。貫通孔９の開口径は、第１のピッチの１／Ｎ以下（Ｎは２以上の整数）に設計される。メッシュ構造体８は、Ｘ側アクチュエータ７ａとＹ側アクチュエータ７ｂを用いて、第１，第２の配列方向（Ｘ軸，Ｙ軸）にそれぞれ第１のピッチの（１／Ｎ）刻みでステップ駆動するよう構成される。Ｘ側アクチュエータ７ａとＹ側アクチュエータ７ｂを、積層状に順次保持基板５上に固定することにより、それぞれＸ方向、Ｙ方向に独立した２次元的な駆動が可能になる。ここでは、ＦＥＤなどの表示素子として用いる場合について説明したが、撮像素子として用いる場合にも表示素子と同じ構成とタイミング動作で使用することができる。
【００７０】
ＮＴＳＣの放送規格に準じて映像を動画表示する場合について説明する。
【００７１】
ＮＴＳＣの画面表示は、１／３０秒をフレーム単位とした連続する映像フレーム信号をリアルタイムに逐次表示している。表示動作は、１フレームの垂直走査信号（ＮＴＳＣの場合は４８０本）ライン毎にそれぞれの水平信号を同時に表示する単純マトリクス表示動作が用いられる。本実施例の上記メッシュ構造体８を用いる場合には、１フレームに相当する垂直信号走査ラインの表示時間（約６９．４μｓｅｃ）を２分割し、１フレームを２回に分けて倍速での表示動作を行うことで実現できる。この時、表示動作とアクチュエータによる駆動を同期する必要がある。アクチュエータの開口部（貫通孔９）を用いて最初の表示動作を行った後（約３４．７μｓｅｃ）、メッシュ構造体８を画素ピッチ相当距離（Ｐｍ（Ｘ））移動させて、次の画素の表示動作を行う。上記の動作原理により、メッシュ構造体の開口部は、Ｘ方向、Ｙ方向それぞれ２画素分の表示動作を行うことが可能となる。
【００７２】
このように、メッシュ構造体８を用いて映像表示に同期して駆動することにより、従来の１画素を４画素として使用できる。このため、冷陰極電子源素子４ａのサイズを小さくすることなく高解像度化ができるメリットがある。
【００７３】
このようにメッシュ構造体を用いて高解像度化を図ることは、冷陰極電子源の安定動作や信頼性を確保するという観点からも利点がある。
【００７４】
一般的に、マトリックス型冷陰極電子源装置では、マトリックス状に並んだ冷陰極電子源素子の動作を個別に制御するためのＸ方向、およびＹ方向に駆動用の配線を備えている。更に、電子源素子の種類によって多少構成は異なるものの、エミッタ先端に電界を印加するためのゲート電極や、駆動用の配線とのコンタクト部分などを備えている。これら異なる平面状の構成要素を垂直方向に積み上げて素子を構成する際、各々の形状の異なる平面状の構成要素を相互に位置合わせする必要がある。位置合わせには、相互のずれを見込んだ設計をする必要があり、このずれ量を一般的に合わせマージンと称している。
【００７５】
積層する構成要素が多くなればなる程、合わせマージンのためのスペースが必要となる。電子源素子では、エミッタの数を多くすることが高い電流量の確保と安定性につながるが、合わせマージンのためのスペースが増えるほど、エミッタを形成できるスペースが少なくなることになる。従って、例えば電子源素子の面積が半分になると、エミッタの数は半減に留まらず、３０〜４０％にまで低下してしまい、必要な電流量の確保が難しくなる、或いは必要な電流量を確保するがために個々のエミッタに対する負荷が大きくなるといった問題が生じる。
【００７６】
一方、この実施の形態では、電子源素子の面積は維持したままで貫通孔９の面積を１／４とすることで高解像度化が実現できる。電子源素子の面積を半分にする従来の方法に比べて相対的に高い電流密度を維持できるため、電子源素子の安定動作や電子源の長寿命化を実現することが容易になる。
【００７７】
この実施の形態の場合、解像度はメッシュ構造体８の貫通孔９の大きさによって決定される。メッシュ構造体８も微細化を進める上では、半導体プロセス、或いはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical systems）技術を用いる必要があるが、メッシュ構造体８の場合は貫通孔９の微細加工のみで、冷陰極電子源素子４ａのような合わせマージンが必要ないため微細化は容易である。
【００７８】
更に、従来例では貫通孔９が画素ピッチで隣接して形成するため、従来手法通りに微細化を進めようとすると貫通孔９を保持する壁の部分が非常に薄くなってしまうが、この実施の形態では駆動ピッチ分だけ離れているため、壁の部分を相対的に厚くすることができ、強度的な信頼性が向上するという特徴も有する。
【００７９】
なお、この実施の形態では、貫通孔に対する電子源素子の相対的な大きさをＸ方向、Ｙ方向とも２倍とした例を示したが、電子源素子の大きさは２倍に限定されるものではなく、電子ビーム起動から計算される貫通孔サイズと、設計された貫通孔のサイズを実現するためのプロセス上の要請から、２以上の整数倍としても何ら本発明の用件から外れるものではない。
【００８０】
また、貫通孔９の断面形状は略垂直形状としたが、貫通孔の電子源アレイ側開口寸法とターゲット側開口寸法は完全に同一になるとは限らず、プロセスでの形状制御の範囲で、プラスマイナス１０％〜２０％程度の範囲で差が生じることは止むを得ない。
【００８１】
次に、メッシュ構造体８の駆動方法について図１、図２、および図４を用いて簡単に説明する。
【００８２】
メッシュ構造体８には、Ｘ側アクチュエータ７ａが取り付けられており、Ｘ側アクチュエータ７ａのみがＹ側ステージ基板６に固定されている。この構成によって、メッシュ構造体８をＹ側ステージ基板６上でＸ方向に任意の距離移動させることが可能となる。
【００８３】
更に、Ｙ側ステージ基板６には、Ｙ側アクチュエータ７ｂが取り付けられており、Ｙ側アクチュエータ７ｂのみが保持基板５に固定されている。この構成によって、Ｙ側ステージ基板６を保持基板５上でＹ方向に任意の距離だけ移動させることができる。
【００８４】
以上の構成によって、メッシュ構造体８は、保持基板５に対して相対的にＸ方向とＹ方向に任意の距離移動させることが可能となる。保持基板５は、内周リング１０によりガラススペーサ２上に固定されていることから、メッシュ構造体８は、冷陰極電子源アレイ４に対して相対的にＸ方向，Ｙ方向の任意の位置に移動させることが可能となる。
【００８５】
この実施の形態では、Ｘ側アクチュエータ７ａ、Ｙ側アクチュエータ７ｂとして、圧電素子を用いた。圧電素子は小型化が可能であり、しかも数１０Ｖの電圧の印加によって数１０μｍの移動量を得ることができることから、この実施の形態における電子源装置に必要な移動量を実現できる。
【００８６】
このアクチュエータを駆動するための信号配線は、図４に示したように、保持基板５、Ｙ側ステージ基板６に形成したＸ側アクチュエータ駆動用引出し配線５ｂと、Ｙ側アクチュエータ駆動用引出し配線５ｃと，メッシュ電極引出し配線５ｄ、および各基板同士を上下に接続するボンディングワイヤー５ｅによって接続する。同時に、保持基板５から背面基板１の上に形成した電極配線（図示せず）にボンディングワイヤーによって接続し、外部からの信号を供給する。なお、同様の手法によって、メッシュ構造体８に対する電位の供給も行っている。
【００８７】
なお、この実施の形態では、アクチュエータとして圧電素子を用いているが、アクチュエータは圧電素子に限るものではない。例えば圧電素子以外のアクチュエータも利用可能であり、ＭＥＭＳ技術を用いた微細な直動機構等も用いることができる。更に、この実施の形態ではメッシュ構造体とＸ側アクチュエータを夫々別の部品として取り扱っているが、ＭＥＭＳ技術を用いて一体構造とすることも可能である。同様に、Ｙ側ステージ基板とＹ側アクチュエータも一体構造とすることが可能である。
【００８８】
（実施の形態２）
図５Ａ〜図５Ｅは実施の形態１におけるメッシュ構造体８の具体例を示す。
【００８９】
図５Ａはメッシュ構造体８の断面模式図、図５Ｂは図５Ａに示した貫通孔部Ａの拡大断面模式図である。
【００９０】
メッシュ構造体８は、冷陰極電子源アレイ４に対向する面の導電体層である第一電極９３と、中間層となる絶縁層９２と、ターゲット１４に対向する側の導電体層である第二電極９４とから成る３層構造となっている。
【００９１】
第一電極９３と第二電極９４は、各々独立に電位を制御できる構造となっており、各々の電位を適切に制御することによって、冷陰極電子源アレイ４から放出された電子を効率的に、且つ収束性を維持したままターゲット１４に照射することができるため、高い解像度を実現できる。
【００９２】
メッシュ構造体８による電子ビームの収束においては、第一電極９３と第二電極９４に印加する電位配分のみならず、第一電極９３、絶縁層９２、および第二電極９４の厚さも影響する。更には、冷陰極電子源アレイと第一電極９３との距離、および第二電極９４とターゲット面との距離も影響するため、電界シミュレーション等の方法を用いて最適設計をする必要があるが、この設計項目については本発明の要件には当たらないため、ここでは説明を省略する。
【００９３】
このようなメッシュ構造体８は次の工程で製造できる。
【００９４】
まず、基材単結晶Ｓｉ基板の上に中間絶縁層を介して所定の厚さの単結晶Ｓｉが形成されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用意する。
【００９５】
メッシュ構造体８を構成する絶縁性材料の厚みを１０ｎｍから１０μｍの範囲で最適な値に選択することとした。メッシュ構造体８による電子ビームの収束機能を最適に発揮させるには、第一電極９３と第二電極９４に印加する電位配分のみならず、第一電極９３、絶縁層９２、および第二電極９４の厚さも最適に設計する必要がある。第一電極９３と第二電極９４には、それぞれ異なる電位を与えて、電子ビームの軌道に対する静電的なレンズ作用を行わせる。シリコン半導体プロセスで用いられているシリコン酸化膜を絶縁性材料として採用する際は、印加する電位に対して高い絶縁耐性を持つメリットがある。例えば、１０ｎｍのシリコン酸化膜を用いる場合は、凡そ50Ｖの耐圧特性を有し、１０μｍの厚さの場合には、凡そ５０ｋＶの高い耐圧特性を有するため厚みに対する設計自由度が増すことになる。
【００９６】
ここでは基材Ｓｉ基板の厚さが２００μｍ、中間絶縁層の厚さが２μｍ、絶縁層上に形成された単結晶Ｓｉの厚さが１００μｍのＳＯＩ基板を購入して絶縁層の厚さが１０μｍのメッシュ構造体を作製した。このＳＯＩ基板の基材Ｓｉ基板が、基材Ｓｉ基板９１、中間絶縁層が絶縁層９２、中間絶縁層上に形成された単結晶Ｓｉが第二電極９４となる。なお、第二電極９４は、単結晶Ｓｉに高濃度のリン、砒素等のＮ型不純物を注入して低抵抗化している。
【００９７】
単結晶Ｓｉで形成されている第二電極９４の表面全面に、保護膜となるレジスト膜、若しくはＳＯＧ（Spin on Grass）膜を塗布した後、基材Ｓｉ基板９１の裏面に、所定の開口部を有するレジスト膜を塗布し、基材Ｓｉ基板９１の裏面（図５Ａ中の下方面）から水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いてウエットエッチングを行う。ＫＯＨを用いたエッチングは、Ｓｉ単結晶の結晶面によってエッチング速度が異なるため、面方位（１００）の単結晶基板の場合、約４２°の略テーパを持ったエッチング面が形成される。絶縁層９２はＫＯＨではエッチングできないため、Ｓｉのエッチングは絶縁層９２に達したところでそれ以上進まない。レジストを全て剥離後、基材Ｓｉ９１の裏面全面に第一電極９３となる金属膜を成膜する。この実施の形態では、金属膜として厚さ１μｍのＡｌを用いた。
【００９８】
次に、第二電極９４の表面に厚さ１００ｎｍの酸化膜を成膜後、レジスト膜を塗布し、貫通孔９に相当する開口部を形成し、まず酸化膜をエッチング後、レジストと酸化膜をマスクとしてドライエッチング法により第二電極９４、絶縁層９２、および第一電極９３を連続的にエッチングし貫通孔９を形成し、メッシュ構造体８が完成する。
【００９９】
メッシュ構造体８は、第一電極９３および第二電極９４に各々独立に電圧を印加することで、冷陰極電子源アレイ４から放出した電子を集束してターゲット１４に送る役割を果たす。電子の収束性は、冷陰極電子源アレイ４に形成された冷陰極電子源素子４ａと貫通孔９の下部に位置する第一電極９３の表面との距離、第一電極９３の印加電圧、絶縁層９２の厚さ、第二電極９４の厚さと印加電圧、および第二電極９４の上面とターゲット１４に形成された光電変換膜１３との距離によって決めることができる。なお、この実施の形態では、ＳＯＩ基板の仕様を予め決めることにより、冷陰極電子源アレイ４に形成された冷陰極電子源素子４ａと貫通孔９の下部に位置する第一電極９３との距離は、第一電極９３の厚さによって調整することが可能となる。また、貫通孔９の形成は、半導体加工プロセス技術を用いているため、微細な加工が可能となるという特徴も有している。
【０１００】
なお、図５Ｂに示した例では、貫通孔９の断面形状が入口から出口にわたって径が一定、つまり電子ビーム方向（Ｚ軸）に略垂直であったが、次のように構成することも出来る。
【０１０１】
図５Ｃ〜図５Ｅは、それぞれメッシュ構造体８における貫通孔９の断面形状の一例を示しており、貫通孔９の断面部分の形状は、第二電極９４、絶縁層９２、第一電極９３の材料やエッチング方法によって様々に変えることができる。図５Ｃに示した様なターゲット面に向かって開口部が広くなる構造や、図５Ｄに示した様な第二電極９４の中央部がくびれた形状、更には図５Ｅに示した様なターゲット面に向かって開口部が湾曲しながら狭くなる形状などがある。これらの形状も前述の如く設計項目であり、本発明の要件には当たらないため、ここでは説明を省略する。
【０１０２】
（実施の形態３）
図６Ａ，図６Ｂと図７Ａ，図７Ｂは本発明の実施の形態３を示す。
【０１０３】
メッシュ構造体８における貫通孔９の断面形状が先の実施の形態とは異なる。その他の構成は実施の形態１と同じである。
【０１０４】
この実施の形態３の貫通孔９は、図６Ｂに示すように冷陰極電子源アレイ４に対向する側が大きく、ターゲット１４に対向する側が小さい略テーパ形状になっており、且つ少なくとも貫通孔９の内面は二次電子放出能が１を超える材料で構成されている点にある。
【０１０５】
図６Ａはメッシュ構造体８が全て同一の材料でできている場合を示している。９４ｂは第二電極引き出し用のパッドである。図６Ｂは図６Ａにおける貫通孔部Ａの拡大断面模式図である。
【０１０６】
メッシュ構造体８は、メッシュ構造体８の大部分をなす基層の厚さが５０μｍ以上である条件とした。メッシュ構造体をＭＥＭＳ製造ラインを用いて製作する場合は、構造体の製造単価を引き下げるために、出来るだけ大きなウエハサイズ（４インチ以上）を用いることが望ましい。実施の形態２で述べたようなプロセスを用いる場合、それぞれの製造装置内のウエハ搬送時に、ウエハの破損やキズを発生させないことが要求される。貫通孔構造を有する微細電極をウエハ上に作製すると、ウエハの機械強度が大幅に低下し、場合によってはウエハに破損につながる恐れが発生する。メッシュ構造体８の基層の厚さを５０μｍ以上に設定しておけば、上記の微細構造体を形成した後においても、ウエハの機械強度が十分に保たれ、ウエハの破損を引き起こす恐れはほとんどなくなる。
【０１０７】
図６Ｂにおいて、冷陰極電子源アレイ４に対向する貫通孔９の開口部の径をＤ１、ターゲット１４の側に対向する貫通孔９の開口部の径をＤ２とした時、Ｄ２は前述の通り、解像度の要請から決まる画素寸法とほぼ同等の寸法となる。冷陰極電子源素子４ａから放出された電子ビームの一部は貫通孔９の内面に当たらずに直接にターゲット１４面に到達するが、一部は略テーパ上に形成された貫通孔９の内面に衝突する。この時、メッシュ構造体８を形成する材料の二次電子放出能が１以下の場合は、内面に衝突した電子がそのままメッシュ構造体８に吸収されてターゲット１４側に電子は出てこない。一方、この実施の形態で示したメッシュ構造体８を構成する材料は１を超える二次電子放出能を有しているため、貫通孔９の内面に衝突した電子Ｅによって二次電子が生成される。生成された二次電子は、ターゲット１４に対向する開口部に近ければ、そのままターゲット１４に向かう。ターゲット１４から遠い場合は、貫通孔９の内面に再度衝突し、そこで新たな二次電子を生成するという現象を繰り返し、ターゲット１４の側の開口部に到達したところで生成された二次電子がターゲット１４に向かう。
【０１０８】
なお、この実施の形態の場合、冷陰極電子源素子４ａから放出された電子が冷陰極電子源素子４ａの側に戻るのを抑えるために、メッシュ構造体８に所定の電圧を印加することが有効である。この場合、メッシュ構造体８自身が第二電極９４として機能する。
【０１０９】
略テーパ形状の貫通孔９の加工は、以下のようにして行う。
【０１１０】
まず、ＳＵＳ等の金属板の一方の表面にレジストを塗布し、フォトリソプロセスを用いて貫通孔９のＤ２に相当する開口を形成する。また、裏面側には、全面に同じくレジストを塗布しておく。前記金属板をエッチングする溶液にレジストを溶かす成分を添加した薬液中にこの金属板を所定の時間浸すと、前記金属板の厚さ方向のエッチングと同時に、レジストが少しずつ溶ける事でレジスト開口部が広がり、同時にレジストが溶け出した部分の金属板のエッチングが進む。エッチングが前記金属板の厚さ分まで進行したところで前記金属板をエッチング液から引き出し、所定の洗浄とレジストの剥離を行うと、概ね図示した断面形状を有する貫通孔９が得られる。
【０１１１】
図６Ａ，図６Ｂに示した実施の形態の場合、メッシュ構造体８に略テーパ形状の貫通孔を形成するだけのため、作製が容易という利点がある。
【０１１２】
図７Ａ，図７Ｂはこの実施の形態３の別の例を示している。
【０１１３】
図７Ａは、メッシュ構造体８の基材として微細加工性に優れたＳｉ基板を用いた場合を示している。Ｓｉ自身は二次電子放出能が低いため、例えばＭｇＯ膜の様な二次電子放出能の高い二次電子放出膜９５を貫通孔９の内面に成膜する。貫通孔９の内面に二次電子放出膜９５を形成する方法としては、前述の実施の形態２で示した製造方法において、エッチング完了後、エッチング液を所定の方法で除去、洗浄した後、レジストを残したまま真空蒸着法等を用いて、開口の広い面側から二次電子放出膜９５を所定の厚さだけ成膜する。その後にレジスト剥離を行うと、貫通孔９の内面にのみ二次電子放出膜９５が形成されたメッシュ構造体８が作製できる。また、二次電子放出膜９５がメッキ法で成膜できる材料である場合は、レジストを残した状態でメッキを行うことで、同様の構成のメッシュ構造体８を作製することができる。
【０１１４】
図７Ｂは、貫通孔９の内面に加えて、第二電極９４の下面に二次電子放出膜９５を成膜した構成となっている。この構成により、冷陰極電子源素子４ａから放出された電子のうち、二次電子放出膜９５の下面に当った電子から生成された二次電子も生成するため、ターゲット１４に対して高い電流量を得ることができる。
【０１１５】
なお、メッシュ構造体の厚みをＴとすると、ターゲット１４に対向する貫通孔の開口径：Ｄ２、冷陰極電子源アレイ４に対向する貫通孔の開口径：Ｄ１の関係は、以下の関係を満足するのが好ましい。ここで、θはスピント型エミッタから放出される電子の広がり角とする。
【０１１６】
ｔａｎθ  ＜  （Ｄ２−Ｄ１）／（２・Ｔ）・・・・（数式Ａ）
メッシュ構造体による電子ビームのトリミング効果について上記関係式を用いて説明する。
【０１１７】
スピント型エミッタの場合、一般にエミッタから放出される電子の放出角はおよそ鉛直方向に片側３０°の広がり角を有している。
【０１１８】
メッシュ構造体の厚みが開口径に比べて十分厚い（Ｔ＞＞Ｄ１，Ｄ２）場合には、貫通孔の開口径Ｄ２，Ｄ１が同程度であれば、電子ビームのトリミング効果は十分である。
【０１１９】
しかしながら、半導体材料やプロセスを利用してメッシュ構造体を作製することが一般的であるため、現実にはせいぜい同程度か数倍の値に制約される。この場合には、電子ビームの広がり成分をメッシュ構造体によりトリミングできないため、解像度を劣化させる要因ともなる。
【０１２０】
上記の（数式Ａ）を満足する条件でメッシュ構造体を作製しておけば、原理的には電子ビームの広がり成分の大半がメッシュ構造体の貫通孔の側壁に衝突して吸収・除去されるため、貫通孔を通過してターゲット方向に進行する電子ビームは略平行ビームとなるようにトリミングされ、解像度を高く維持する効果が期待できる。
【０１２１】
（実施の形態４）
図８は本発明の実施の形態４を示す。
【０１２２】
メッシュ構造体８における貫通孔９の断面形状が先の実施の形態とは異なる。その他の構成は実施の形態３と同じである。
【０１２３】
この実施の形態４では、メッシュ構造体８に形成された貫通孔９が、冷陰極電子源アレイ４に対向する側が大きく、ターゲット１４に対向する側が小さい略テーパ形状になっており、且つ少なくとも貫通孔９の内面は二次電子放出能が１を超える材料で構成されている点では、上述の実施の形態３で示した構成と同じであるが、この実施の形態では、メッシュ構造体８のターゲット１４に近い面側に、絶縁層９２ｂを介して第三電極９６が形成されている。この構成では、冷陰極電子源素子４ａの側から放出された電子は、第二電極９４となる略テーパ形状の貫通孔９に衝突する。テ−パ形状の貫通孔９の内面には、二次電子放出能が１を超える膜が形成されており、電子の衝突により二次電子が放出される。
このような構成では、第二電極９４と第三電極９６を所定の電位に設定することで、生成された二次電子を効率的にターゲット１４の側に引き出すことができると共に、貫通孔９を通過した電子の収束性も高めることができるという利点がある。
【０１２４】
貫通孔９の加工は、以下のように行う。
【０１２５】
まず、基材Ｓｉ基板９１の表面（図８中では上面側）に熱酸化法により絶縁層９２ｂを形成する。次に、基材Ｓｉ基板９１の裏面側（図８中では下面側）にレジストを塗布し、所定の径の開口部を形成したのち、絶縁層９２ｂが露出するまでＫＯＨを用いたウエットエッチングを行う。このとき前述した様に、単結晶のＳｉは結晶面に対して異方的にエッチングされるため、約４２°のテーパ角を有する形状が形成される。
【０１２６】
レジストを剥離した後、Ｓｉのテーパ形状が形成された面にネガレジストを塗布し、絶縁層９２ｂの上面側から全面に露光を施す。その後、レジストを現像すると、絶縁層９２ｂの下部のレジストが残り、基材Ｓｉ基板９１の裏面のレジストが除去される。この状態で、基材Ｓｉ基板９１の裏面側に二次電子放出能の高いＭｇＯ膜等を真空蒸着法等により成膜した後、レジスト剥離を行うと基材Ｓｉ基板９１の裏面にのみ二次電子放出膜９５が形成される。
【０１２７】
その後、絶縁層９２ｂの面側にネガレジストを塗布し、Ｓｉ基材側から全面に露光を施してレジストを現像すると、Ｓｉ基材のテーパ形状の開口部上にのみレジストが残る。この状態で絶縁層９２ｂおよびパターニングされたレジスト膜表面に真空蒸着法を用いてＣｒ等の金属膜を所定の厚さに成膜し、続けてレジスト剥離を行うと、レジストと同時にレジスト表面に成膜された金属膜が除去される。次に、Ｃｒ等の金属膜をマスクとして絶縁層９２ｂをエッチングして開口部を形成することで、メッシュ構造体８が完成する。  この構成によれば、冷陰極電子源素子４から放出された電子ビームは、メッシュ構造体８に吸収されることなく、冷陰極電子源素子４から放出された電子ビーム量とほぼ同等の電子ビーム量をターゲット面に供給することが可能となる。更に、第二電極９４と第三電極９６を所定の電位に設定することにより、貫通孔９の内面で生成された二次電子を効率よく、且つ電子の軌道を制御することが可能となり、ターゲット１４面での電流密度と解像度を向上させることができる。
【０１２８】
メッシュ構造体８は、前述の通り解像度のピッチ相当分移動するため、従来の１画素と同じ大きさで電子源素子を構成した場合に比べ、整数倍の面積を有する電子源素子から放出される電子ビームの大半を１画素に供給することが可能となり、高い電子ビーム量を得ると同時に、高い解像度を実現することが可能となる。
【０１２９】
なお、上記の各実施の形態ではマトリックス型冷陰極電子源装置の具体例として撮像装置の場合を例に挙げて説明したが、ターゲット１４の表面に、光電変換膜１３に代わって蛍光体膜を形成したＦＥＤの場合も同様に実施できる。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明は、冷陰極を用いたマトリックス型電子源装置を要部としている電界放射型ディスプレイ装置、高感度撮像装置などの高解像度化に寄与できる。
【符号の説明】
【０１３１】
１    背面基板
２    ガラススペーサ
３    Ｓｉ基板
４    冷陰極電子源アレイ
４ａ    冷陰極電子源素子
４ｂ    エミッタ領域
５    保持基板
５ａ    窓
５ｂ    Ｘ側アクチュエータ駆動用引出し配線
５ｃ    Ｙ側アクチュエータ駆動用引出し配線
５ｄ    メッシュ電極引出し配線
５ｅ    ボンディングワイヤー
６    Ｙ側ステージ基板
６ａ    窓
７ａ    Ｘ側アクチュエータ（駆動部）
７ｂ    Ｙ側アクチュエータ（駆動部）
８    メッシュ構造体
９    貫通孔
１０    内周リング
１１    外周リング
１２    透明導電膜
１３    光電変換膜
１４    ターゲット
１５    前面基板
１６    アノードピン
９１    基材Ｓｉ基板
９２，９２ｂ    絶縁層
９３    第一電極
９４    第二電極
９４ｂ    第二電極引き出し用のパッド
９５    二次電子放出膜
９６    第三電極
Ｐ１    第一のピッチ
Ｄ１    冷陰極電子源アレイ４に対向する貫通孔９の開口部の径
Ｄ２    ターゲット１４の側に対向する貫通孔９の開口部の径
Ｄｔ（Ｘ），Ｄｔ（Ｙ）    １画素分の撮像面のＸ方向，Ｙ方向幅
Ｄｍ（Ｘ），Ｄｍ（Ｙ）    貫通孔９の開口部のＸ方向，Ｙ方向幅
Ｅ    電子
Ｐｅｍ（Ｘ），Ｐｅｍ（Ｙ）    エミッタ領域４ｂのＸ方向，Ｙ方向幅
Ｐｍ（Ｘ），Ｐｍ（Ｙ）    貫通孔９のＸ方向，Ｙ方向のピッチ
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009110179.tif 000019
【図２】
2009110179.tif 000020
【図３】
2009110179.tif 000021
【図４】
2009110179.tif 000022
【図５Ａ】
2009110179.tif 000023
【図５Ｂ】
2009110179.tif 000024
【図５Ｃ】
2009110179.tif 000025
【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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