(57)【要約】【課題】  簡単な製造方法で作製することが可能であり、Ｘ線発生装置などエミッション電流の多い用途等に適した、十分な量の電子放出電流を安定して低電圧で得ることが可能な電子放出素子を提供することを目的とする。【解決手段】  基板を異方性エッチングして作製された柱状の突起の先端部に、電子放出源として円周状のエッジ部を有する電子放出素子。【選択図】        図１
2006100185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界放出によって電子を放出する電子放出素子であって、
シリコン基板と、
前記シリコン基板上に前記シリコン基板と一体に設けられ、その先端部に前記シリコン基板と略平行な円周状であり、かつ鋭角のエッジ部を有する突起と、
前記シリコン基板上に設けられ、前記突起を開放する開口部を有する絶縁膜層と、
前記絶縁膜層上に設けられた金属膜層とを有することを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記突起の先端部に凹部を有することを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記凹部は、その直径が前記突起の先端部に近づくにしたがって拡大するすり鉢形状の形状を有し、前記凹部を構成する面と、前記突起の外側の側面とが交わる交線で前記エッジ部を構成することを特徴とする請求項２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記突起の先端部は前記シリコン基板と略平行な円盤状の平面であることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記突起は、その直径が前記突起の先端部に近づくにしたがって拡大する形状を有し、前記円盤状の平面と、前記突起の側面とが交わる交線で前記エッジ部を構成することを特徴とする請求項１又は４に記載の電子放出素子。
【請求項６】
電界放出によって電子を放出する電子放出素子であって、
基板と、
前記基板上に設けられ、その先端部に前記基板と略平行な円周状であり、かつ鋭角のエッジ部を有し、かつその直径が突起の先端部に近づくにしたがって拡大する形状を有する突起と、
前記基板上に設けられ、前記突起を開放する開口部を有する絶縁膜層と、
前記絶縁膜層の上に設けられた金属膜層とを有することを特徴とする電子放出素子。
【請求項７】
電子放出素子の製造方法であって、
基板をエッチングして柱状の突起を形成する突起形成工程と、
前記突起の先端部に、エッチングにより凹部を形成する凹部形成工程と、
前記先端部に凹部が形成された突起をエッチングして、前記先端部に前記基板と略平行な円周状であり、かつ鋭角のエッジ部を形成するエッジ部形成工程とを含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項８】
前記エッジ部形成工程は、誘導結合型プラズマエッチング法を用いて突起をエッチングすることを特徴とする請求項７に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項９】
電子放出素子の製造方法であって、
レジストをマスクとして基板をエッチングして、その先端部が平面である柱状の突起を形成する突起形成工程と、
前記柱状の突起の側面をエッチングして、その直径が先端部に近づくにしたがって拡大する形状の突起を形成する突起加工工程とを有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１０】
前記突起加工工程は、前記突起形成工程でマスクとしたレジストを前記柱状の突起の先端部に付着させた状態で等方性エッチングを行うことを特徴とする請求項９に記載の電子放出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型Ｘ線発生装置、その他電子放出を利用する機器に用いられる電子放出素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線管は治療、レントゲン撮影、工業用の分析装置など様々な分野で利用されている。従来のＸ線管用の電子放出素子としては熱陰極管を用いたものがその主流をなしていたが、電子放出源にフィラメントを用いるため、電子放出源のサイズが大きくなり、結果として電子をターゲットに当ててＸ線を発生させるときに電子ビーム径（焦点径）が小さくできなかった。昨今では女性の乳がんを早期発見するためにＸ線マンモグラフィ検査の導入の必要性がたびたび議論されているが、Ｘ線マンモグラフィに使用されるＸ線発生装置としては高分解能の画像を得るために０．１ｍｍ以下の焦点径サイズが必要とされている。Ｘ線は従来から診断用、治療用と多くの医療現場で使用されてきたが、熱陰極管を用いている限りはその大きさからＸ線マンモグラフィへの使用には限界があった。
【０００３】
以上の事情に鑑み、最近では熱電子放出源を持たない冷陰極を用いるＸ線管の開発が進められて来ている。これらは電子放出性に優れたカーボンナノチューブを用いるもの、突起を形成し、その先端部に電界を集中させて電子放出を行うもの（Ｓｐｉｎｄｔ型）などがある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
また、従来技術の他の例として、例えば図９に断面を示すような電子放出素子がある（特許文献１参照）。図９において、５１は基板、５２は第１カソード層、５３は第２カソード層、５５は絶縁層、５６はゲート電極層、５４は突起、５７は開口部である。
【０００５】
図１０はその作製工程を示す断面図である。図１０（ａ）では、基板５１に第１カソード層５２を着膜形成し、その上にフォトレジスト膜を形成してフォトリソグラフィー法でパターンを形成し、マスク膜５９を得る。図１０（ｂ）では、前記の基板をエッチングして多数の突起６０を形成する。図１０（ｃ）では、蒸着により第２カソード層５３を形成する。このとき基板５１は所定の回転手段により回転させることが望ましい。図１０（ｄ）では、第２カソード層５３の上に、絶縁層５５およびゲート電極層５６を蒸着する。これらの蒸着は所定の手段により、基板５１に垂直に蒸着することが望ましい。図１０（ｅ）では、突起６０上に形成されたマスク膜５９、第１カソード層５２、第２カソード層５３、絶縁層５５、ゲート電極層５６をアタックすることにより取り除く。これにより第２カソード層５３が第１カソード層５２より少し高くなった状態の突起５４が形成される。
【非特許文献１】“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２”、（米国）、１９７９年、ｐ．１４９−１６３
【特許文献１】特許第３４５９６７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述したＳｐｉｎｄｔ型の例では、電子放出源が点状であるため、十分な量の放出電子が得られず、また、低電圧化という点でも問題があった。
【０００７】
また、特許文献１の電子放出素子では、第１カソード層５２、第２カソード層５３を蒸着により形成しているので、これらの層の膨張あるいは収縮などにより基板５１に反りが発生し、後のパターンニング工程に支障をきたすという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡単な製造方法で作製することが可能であり、Ｘ線発生装置などエミッション電流の多い用途等に適した、十分な量の電子放出電流を安定して低電圧で得ることが可能な電子放出素子を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的は下記構成によって達成される。
【００１０】
（請求項１）
電界放出によって電子を放出する電子放出素子であって、
シリコン基板と、
前記シリコン基板上に前記シリコン基板と一体に設けられ、その先端部に前記シリコン基板と略平行な円周状であり、かつ鋭角のエッジ部を有する突起と、
前記シリコン基板上に設けられ、前記突起を開放する開口部を有する絶縁膜層と、
前記絶縁膜層上に設けられた金属膜層とを有することを特徴とする電子放出素子。
【００１１】
（請求項２）
前記突起の先端部に凹部を有することを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【００１２】
（請求項３）
前記凹部は、その直径が前記突起の先端部に近づくにしたがって拡大するすり鉢形状の形状を有し、前記凹部を構成する面と、前記突起の外側の側面とが交わる交線で前記エッジ部を構成することを特徴とする請求項２に記載の電子放出素子。
【００１３】
（請求項４）
前記突起の先端部は前記シリコン基板と略平行な円盤状の平面であることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【００１４】
（請求項５）
前記突起は、その直径が前記突起の先端部に近づくにしたがって拡大する形状を有し、前記円盤状の平面と、前記突起の側面とが交わる交線で前記エッジ部を構成することを特徴とする請求項１又は４に記載の電子放出素子。
【００１５】
（請求項６）
電界放出によって電子を放出する電子放出素子であって、
基板と、
前記基板上に設けられ、その先端部に前記基板と略平行な円周状であり、かつ鋭角のエッジ部を有し、かつその直径が突起の先端部に近づくにしたがって拡大する形状を有する突起と、
前記基板上に設けられ、前記突起を開放する開口部を有する絶縁膜層と、
前記絶縁膜層の上に設けられた金属膜層とを有することを特徴とする電子放出素子。
【００１６】
（請求項７）
電子放出素子の製造方法であって、
基板をエッチングして柱状の突起を形成する突起形成工程と、
前記突起の先端部に、エッチングにより凹部を形成する凹部形成工程と、
前記先端部に凹部が形成された突起をエッチングして、前記先端部に前記基板と略平行な円周状であり、かつ鋭角のエッジ部を形成するエッジ部形成工程とを含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【００１７】
（請求項８）
前記エッジ部形成工程は、誘導結合型プラズマエッチング法を用いて突起をエッチングすることを特徴とする請求項７に記載の電子放出素子の製造方法。
【００１８】
（請求項９）
電子放出素子の製造方法であって、
レジストをマスクとして基板をエッチングして、その先端部が平面である柱状の突起を形成する突起形成工程と、
前記柱状の突起の側面をエッチングして、その直径が先端部に近づくにしたがって拡大する形状の突起を形成する突起加工工程とを有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【００１９】
（請求項１０）
前記突起加工工程は、前記突起形成工程でマスクとしたレジストを前記柱状の突起の先端部に付着させた状態で等方性エッチングを行うことを特徴とする請求項９に記載の電子放出素子の製造方法。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に係る発明によれば、電子放出源として円周状のエッジ部を有するため、点状の電子放出源を有する電子放出素子に比べ大きな電子放出電流と低いゲート電圧を有した電子放出素子を実現することができる。また、シリコン基板と一体的に突起を作製しているので、基板にカソード電極を着膜形成している電子放出素子のように、製造工程において基板に反りが発生することが無い。したがって後に続くパターンニングの工程において困難を生じることがない。
【００２１】
請求項２に係る発明によれば、突起の先端部に凹部を有することから、突起先端部の周囲に円周状のエッジ部を形成することができる。
【００２２】
請求項３に係る発明によれば、突起先端部の凹部の直径が突起の先端が近づくにつれ拡大することから、突起先端部の周囲に円周状のエッジ部を形成することができる。したがって、十分な量の電子放出電流と低いゲート電圧を有する電子放出素子を実現することができる。
【００２３】
請求項４に係る発明によれば、突起先端部の形状が円盤状であることから、その周囲に円周状の電子放出源を形成することができ、十分な量の電子放出電流と低いゲート電圧を有する電子放出素子を得ることができる。
【００２４】
請求項６に係る発明によれば、基板上の突起の上部に円周状のエッジ部および、開口部を有した絶縁膜層ならびに金属膜層を有することにより、基板をカソード電極、金属膜層をゲート電極とした電子放出素子を得ることができる。また、円周状のエッジ部を電子放出源とすることができるので、点状の電子放出源を有する電子放出電極に比べ大きな電子放出電流を安定して低電圧で得ることが可能となる。なお、前記突起上部の円周状の形状によりエッジ部の形状が決まるので、精度の良いエッジ部を形成することができる。したがって、電子放出素子の特性ばらつきが非常に小さくなる。
【００２５】
請求項７に係る発明によれば、先端部に凹部を有し円周状のエッジ部を有した突起を基板上に作製することができ、十分な量の電子放出電流と低いゲート電圧を有する電子放出電極を得ることが可能になる。なお、突起は基板と一体的に作製されているので、基板にカソード電極を着膜形成している電子放出素子のように、基板に反りが発生することが無い。したがって後に続くパターンニングの工程において困難を生じることがない。
【００２６】
請求項８に係る発明によれば、誘導結合型プラズマエッチング法を用いたエッチングを行うことにより、円周状の鋭いエッジ部を形成することができる。
【００２７】
請求項９に係る発明によれば、基板上に柱状の突起を形成し、その突起の側面をエッチングすることにより、突起の先端部に近づくほど直径が拡大する突起を形成することが可能になる。
【００２８】
請求項１０に係る発明によれば、柱状の突起の先端部にレジストを付着させたまま、等方性エッチングを行うことで、突起の先端部に近づくほど直径が拡大する突起を簡単な工程で再現性良く高精度に形成することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明に係る実施の形態の例を図に基づいて説明する。なお、具体的なサイズや材料等を挙げて説明しているがこれらはあくまでも一例であり、本発明がこれに限定されるものではない。
【００３０】
（第１の実施形態）図１は本発明の一実施形態に係る電子放出素子８の断面図、図２はその斜視図である。図１または図２で、１は結晶軸が（１１１）または（１００）のシリコン基板であり、比較的大きな電流を流す必要があることから抵抗率は１Ω・ｃｍ以下のものが望ましい。２は絶縁膜層、３は金属膜層である。絶縁膜層２はシリコン基板１と金属膜層３とを電気的に絶縁するためのものであり、材料としては抵抗率が１×１０12Ω・ｃｍ以上のものであれば良く、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ポリイミドなどが使用可能である。金属膜層３の材料としてはＴｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（シリコン）などを用い、厚みは０．３〜１μｍ程度とする。４はシリコン基板１上に形成された突起であり、その先端部には突起４の先端に近づくほど直径が拡大する凹部７が形成されており、突起４の先端部には円周状のエッジ部６が形成されている。絶縁膜層２および金属膜層３は突起４を開放するように開口部１０を有している。シリコン基板１及び金属膜層３は電子放出素子８に電圧を印加して動作させる場合に、それぞれカソード電極およびゲート電極として機能する。
【００３１】
次に図３を用いて、電子放出素子８を作製する工程について説明する。図３は電子放出素子８の作製工程を断面図で示している。
【００３２】
図３（ａ）では、シリコン基板１にフォトレジストをスピンコートなどで塗布し、フォトリソ工程により厚さ０．３μｍのドーナツ状のレジストパターン５を作製する。レジストパターン５の直径は８〜２０μｍ、中心の穴径は直径の３０〜６０％程度とする。
【００３３】
図３（ｂ）では、前記のレジストパターン５の形成されたシリコン基板１に対して誘導結合型プラズマ（以下、ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）エッチング法によりシリコン基板１に垂直な方向のエッチングレートが大きい異方性エッチングを行う（突起形成工程及び凹部形成工程）。
【００３４】
ＩＣＰエッチング法とは、アンテナを流れる高周波電流により生じるインダクティブな近接場による放電で発生する誘導結合型プラズマを用いたエッチング法である。導入ガス及び高周波電流の条件を調整することにより、非常にアスペクト比の大きなエッチングを行うことが可能である。また、それらの条件を適度に調整することにより、結晶面に依存した異方性エッチング、あるいは等方性エッチングを行うことも可能である。
【００３５】
本工程のＩＣＰエッチングの条件としては、一例として、導入ガスＳＦ６及びＣ4Ｆ8、流量はそれぞれ１３０ｓｃｃｍ及び８５ｓｃｃｍ、真空度２．７Ｐａ、高周波電力６００Ｗ、中周波バイアス電力３８Ｗを用いた。これにより、円筒状で高さが１０μｍの突起４を作製した。
【００３６】
図３（ｃ）では、レジストパターン５を剥離する。
【００３７】
図３（ｄ）では、前記のシリコン基板５にＩＣＰエッチングにより、エッチングレートがシリコン基板１の結晶軸に依存した異方性エッチングを行う。円筒状の突起４はＩＣＰエッチングにより結晶面に沿ってエッチングが進み、円錐の頂部を陥没させた形状となり、結果的に、突起４の先端に近づくほど直径が拡大するすり鉢形状の凹部７及び円周状のエッジ部６が形成される（エッジ部形成工程）。このときのＩＣＰエッチングの条件としては、一例として、導入ガスＳＦ６、流量１３０ｓｃｃｍ、真空度２．７Ｐａ、高周波電力６００Ｗ、中周波バイアス電力５０Ｗを用いた。
【００３８】
図３（ｅ）では、前記のシリコン基板上に絶縁膜層２を形成する。絶縁膜層２はＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；化学気相蒸着法）などにより形成されたＳｉＯ2膜で厚さは５μｍ程度である。絶縁膜層２の材料としては、前述したようにＳｉＯ2以外にＳｉ3Ｎ4、ポリイミド等が使用可能である。
【００３９】
図３（ｆ）では、絶縁膜層２上に金属膜層３を形成する。金属膜層３はスパッタリング法、蒸着法などで形成したＴｉ、Ｗ、Ｍｏ、ＡｌまたはＳｉ等の膜で、厚さは０．３〜１μｍ程度とする。
【００４０】
図３（ｇ）では、前記の金属膜層３の上に、スピンコート法などによりレジスト膜９を形成し、フォトリソ法を用いて円形パターン１１を形成した。円形パターン１１の直径は１３〜２５μｍ程度とする。
【００４１】
図３（ｈ）では、前記のシリコン基板１を、レジスト膜９をマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法等によりエッチングし、金属膜層３を除去する。
【００４２】
図３（ｉ）では、上記のシリコン基板１を更にＲＩＥ法等によりエッチングし、絶縁膜層２を除去して開口部１０を形成する。
【００４３】
図３（ｊ）では、前記の金属膜層３上のレジスト膜９を除去し、電子放出素子８が完成する。
【００４４】
上記のように本発明に係る本実施形態の電子放出素子によれば、突起先端部の円周状のエッジ部を電子放出源として用いているので、点状の電子放出源を有する電子放出素子に比べ大きな電子放出電流を安定して供給することができる。あわせてゲート印加電圧の低い電子放出素子を実現することが可能である。また、その製造にあたっては、従来技術のごとく基板にカソード層を着膜する工程を含んでいないので、着膜層の膨張あるいは収縮による基板の反りの発生が無いので、後に続くパターンニングの工程で困難を生じることが無い。
【００４５】
また、エッジ部形成工程にあってはエッチングは結晶面に沿って進行するため、エッジ部６を構成する二つの面（すり鉢状の凹部７の側面及び突起４の外側の側面）はシリコンの結晶構造面が露出しており面の精度は非常に高く、凹凸としては分子レベルの数ｎｍ程度しかない。したがってエッジ部６は２つの高精度の面が作る非常に鋭利なものになっている。そのため、低いゲート電圧でも電子の電界放出を発生させることが可能である。特許文献１の電子放出素子では、第２カソード層を蒸着により形成しているため、その表面は分子レベルの精度にはなっておらず、本実施の形態ほど鋭利なエッジを形成することができない。
【００４６】
（第２の実施形態）図４は本発明の他の実施形態に係る電子放出素子１８の断面図、図５はその斜視図である。図４または図５で、２１は基板であり、材料としては表面が高精度研磨された結晶シリコンまたはエピタキシャルシリコンを用いる。基板２１は比較的大きな電流を流す必要があることから抵抗率は１Ω・ｃｍ以下のものが望ましい。なお、本実施の形態では基板２１の材料としては結晶シリコンを用いたが、これは抵抗率が１Ω・ｃｍ以下のものならば結晶シリコンに限らず金属など他の材料を用いることができる。２２は絶縁膜層、２３は金属膜層である。絶縁膜層２２は基板２１と金属膜層２３とを電気的に絶縁するためのものであり、材料としては抵抗率が１×１０12Ω・ｃｍ以上のものであれば良く、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ポリイミドなどが使用可能である。金属膜層２３の材料としてはＴｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｓｉなどを用い、厚みは０．３〜１μｍ程度とする。２４は基板２１上に形成された突起であり、先端部は円盤状の平面になっており、その周辺部には円周状のエッジ部２６が形成されている。絶縁膜層２２および金属膜層２３は突起２４を開放するように開口部３０を有している。基板２１及び金属膜層２３は電子放出素子１８に電圧を印加して動作させる場合に、それぞれカソード電極およびゲート電極として機能する。
【００４７】
次に図６を用いて、電子放出素子１８を作製する工程について説明する。図６は電子放出素子１８の作製工程を断面図で示している。
【００４８】
図６（ａ）では、基板２１にフォトレジストをスピンコートなどで塗布し、フォトリソ工程により厚さ０．３μｍの円形のレジストパターン２５を作製する。レジストパターン２５の直径は８〜２０μｍとする。
【００４９】
図６（ｂ）では、前記のレジストパターン２５の形成された基板２１に対してＩＣＰエッチング法により基板２１に垂直な方向のエッチングレートが大きい異方性エッチングを行う（突起形成工程）。ＩＣＰエッチングの条件としては、一例として、導入ガスＳＦ６及びＣ4Ｆ8、流量はそれぞれ１３０ｓｃｃｍ及び８５ｓｃｃｍ、真空度２．７Ｐａ、高周波電力６００Ｗ、中周波バイアス電力３８Ｗを用いた。これにより、円柱状で高さが１０μｍの突起４を作製した。
【００５０】
図６（ｃ）では、前記のシリコン基板５にＩＣＰエッチング法により、等方性エッチングを行う。円柱状の突起２４は円柱の側面から等方的にエッチングが進み、鼓型の突起２４が形成される。つまり、請求項で言う、上部に円周状のエッジ部を有する突起および円盤状の平面が形成される（突起加工工程）。このときのＩＣＰエッチングの条件としては、一例として、導入ガスＳＦ６、流量１３０ｓｃｃｍ、真空度２．７Ｐａ、高周波電力６００Ｗ、中周波バイアス電力５０Ｗを用いた。この工程では一例としてＩＣＰエッチング法を用いた例を示したが、この工程は等方性エッチングであればウェットエッチング法など他のエッチング方法を用いても良い。
【００５１】
図６（ｄ）では、レジストパターン２５を剥離する。
【００５２】
図６（ｅ）では、前記のシリコン基板上に絶縁膜層２２を形成する。絶縁膜層２２はＣＶＤ法などにより形成されたＳｉＯ2膜で厚さは５μｍ程度である。絶縁膜層２２の材料としては、前述したようにＳｉＯ2以外にＳｉ3Ｎ4、ポリイミド等が使用可能である。
【００５３】
図６（ｆ）では、絶縁膜層２２上に金属膜層２３を形成する。金属膜層２３はスパッタリング法、蒸着法などで形成したＴｉ、Ｗ、Ｍｏ、ＡｌまたはＳｉ等の膜で、厚さは０．３〜１μｍ程度とする。
【００５４】
図６（ｇ）では、前記の金属膜層２３の上に、スピンコート法などによりレジスト膜２９を形成し、フォトリソ法を用いて円形パターン３１を形成した。円形パターン３１の直径は１３〜２５μｍ程度とする。
【００５５】
図６（ｈ）では、前記の基板２１を、レジスト膜２９をマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法等によりエッチングし、金属膜層２３を除去する。
【００５６】
図６（ｉ）では、上記の基板２１を更にＲＩＥ法などによりエッチングし、絶縁膜層２２を除去して開口部３０を形成する。
【００５７】
図６（ｊ）では、前記の基板２１上のレジスト膜２９を除去し、電子放出素子１８が完成する。
【００５８】
なお、本実施の形態では、基板２１として、表面が高精度研磨された結晶シリコンまたはエピタキシャルシリコンを用いたが、結晶シリコンを異方性エッチングして結晶面を露出させたシリコン基板を用いても良い。
【００５９】
上記のように本発明に係る本実施形態の電子放出素子によれば、突起先端部の円周状のエッジ部を電子放出源として用いているので、点状の電子放出源を有する電子放出素子に比べ大きな電子放出電流を安定して供給することができる。あわせてゲート印加電圧の低い電子放出素子とすることが可能である。また、その製造にあたっては、従来技術のごとく基板にカソード層を着膜する工程を含んでいないので、着膜層の膨張あるいは収縮によ  る基板の反りの発生が無く、後に続くパターンニングの工程で困難を生じることが無い。
【００６０】
なお、電子放出源となる突起頂部のエッジ部の形状は、突起頂部の円盤状の形状によって決まるので、精度の高いエッジ部を得ることができる．したがって、電子放出素子の特性ばらつきが非常に小さくなる。
【００６１】
また、突起加工工程では、エッチングは結晶面に沿って進行するため、エッジ部２６を構成する片方の面（突起２４の外側の側面）はシリコンの結晶構造面が露出しており面の精度は非常に高く、凹凸としては分子レベルの数ｎｍ程度しかない。また、エッジ部２６を構成するもう片方の面（突起頂部の円盤状の面）も基板２１の表面そのままであるから非常に高精度である。したがってエッジ部２６は２つの高精度の面が作る非常に鋭利なものになっている。そのため、低いゲート電圧でも電子の電界放出を発生させることが可能である。
【００６２】
次に、本発明の一実施形態である電子放出素子１８の応用例として、小型Ｘ線発生装置の例について図７の構成図を用いて説明する。
【００６３】
電子放出素子１８は実施の形態で示した素子である。つまり２１は結晶シリコン等により形成された導電性の基板であり、その表面にはエッチング処理等により形成された先端部に円周状のエッジ部２６を持った鼓型の突起２４を有している。２２は突起２４を囲む様に基板２１上に形成されたＳｉＯ2等の材料よりなる絶縁膜層である。２４は絶縁膜層２３上に形成されて突起２４から電子を引き出すためのゲート電極である。４４はターゲット電極で突起２４から引き出された電子が衝突することによりＸ線を発生させる為のものであり、診断用Ｘ線用としてＷやＭｏ等が一般に用いられている。４１はゲート電極（金属膜層２３）にカソード電極（基板２１）を基準として正方向のパルス電圧を印加する為のパルス電圧発生器、４２は同じくカソード電極（基板２１）を基準にターゲット電極４４に正方向の高圧直流電圧を印加する為の直流バイアス電源である。４５は各要素を真空状態で密封し保持するためのガラスあるいは金属材料からなるＸ線遮蔽構造を含む容器、４６は内部で発生したＸ線のうち一定角度の範囲のものを外部に通過させるＸ線窓で、Ｘ線通過部は通常Ｂｅ（ベリリウム）などのＸ線通過材料が用いられる。
【００６４】
以上の構成において動作を説明する。まずパルス電圧発生器４１によりカソード電極（基板２１）を基準に例えば１００Ｖ程度のパルスをゲート電極（金属膜層２３）に印加するとゲート電極（金属膜層２３）は突起２４を中心とした円周上に配置される構造により突起部２４の先端の円周状のエッジ部２６に電界が集中する。一般的には真空中において１０8Ｖ／ｃｍ程度以上の電界を与えることによって、エッジ部２６から電子が飛び出す電子放出現象が生じる。
【００６５】
このようにして放出された電子は、直流バイアス電源４２で例えば３０ｋＶ程度にバイアスされたターゲット電極４４による電界により矢印４３で示す方向に加速され、最後にはターゲット電極４４表面に衝突し、その金属材料と加速電圧に応じた波長をもつＸ線を発生させる。
【００６６】
ターゲット電極４４表面から発生したＸ線については、そのうちの一部、つまりＸ線窓４６により撮影に必要な焦点径サイズに対応した範囲に規制されたＸ線４７がＸ線窓４６を通して図示しない被照射体に照射される。このときの焦点径サイズが小さい程撮影されるＸ線画像の解像度が良くなり、高解像度が必要とされるマンモグラフィ用Ｘ線発生装置では焦点径サイズとして０．１ｍｍ程度が求められている。
【００６７】
図７では小型Ｘ線発生装置の原理説明のために、突起２４を１個だけ有した電子放出素子を描いてあるが、実際のＸ線発生装置での電子放出素子は、大きなエミッション電流を得るために図８のように、絶縁層（不図示）、ゲート電極（金属膜層２３）、突起２４が基板２１上に多数個、並列電気接続で平面的に配置された構成となっている。
【００６８】
このように上述の実施の形態を用いて説明した本発明の特徴とするところは突起の製作工程において、エッチング処理を行うことにより、突起の先端部に円周状のエッジ部を形成することにある。そのため本発明による電子放出素子では電子放出源が大きく、よって大きな電子放出電流を安定して供給可能とするとともに、低いゲート印加電圧の実現が可能になる。
【００６９】
上述した実施形態を用いて説明した本発明による電子放出電極の製造方法は、ＩＣＰエッチング法を用いることにより、シリコン基板の結晶面に依存せずにアスペクト比の大きな柱状の突起を形成することができる。あるいは、シリコン基板の結晶面に依存した異方性エッチングを行ない円周状のエッジ部を再現性良く高精度に作製することが可能である。また、円柱状の突起の先端にレジストを残したまま等方性エッチングをすることで、再現制良く高精度で円周状のエッチが作製可能である。
【００７０】
なお、実施の形態では小型Ｘ線発生装置への適用例で説明したが、同様の電子放出源を持つディスプレイその他の電子放出電極を有する機器への適用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る電子放出素子の断面図である。
【図２】図１に示した電子放出素子の斜視図である。
【図３】図１に示した電子放出素子の製造プロセスを示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態に係る電子放出素子の断面図である。
【図５】図４に示した電子放出素子の斜視図である。
【図６】図４に示した電子放出素子の製造プロセスを示す断面図である。
【図７】本発明に係る電子放出素子を適用した小型Ｘ線発生装置の構成図である。
【図８】図７に示した小型Ｘ線発生装置の電子放出素子の構成図である。
【図９】従来技術に係る電子放出素子の断面図である。
【図１０】従来技術に係る電子放出素子及びその製造プロセスを示す断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１  シリコン基板
２、２２  絶縁膜層
３、２３  金属膜層
４、２４  突起
５、２５  レジストパターン
６、２６  エッジ部
７  凹部
８、１８  電子放出素子
９、２９  レジスト膜
１０、３０  開口部
１１、３１  円形パターン
４１  パルス電圧発生器
４２  直流バイアス電源
４３  電子の加速方向
４４  ターゲット電極
４５  容器
４６  Ｘ線窓
４７  Ｘ線
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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