(57)【要約】【課題】真空環境の劣化や電子源の汚染を生じさせることなく高密度な結線構造を実現できる電子放出素子を提供する。【解決手段】真空容器３と、電子ビームを放出する電子源と、前記電子源に電圧を供給する給電構造４とを備えた電子放出素子であって、前記電子源はシリコン基板２１で構成され、給電構造４は真空容器３の外部に配置されている。このことにより、真空容器３内のガス放出による真空度の劣化や電子源の汚染による電子ビーム放出への不具合を防止しつつ、隣接する配線の間隔を小さくした給電構造４を用いることができる。このため、より多くの電子源アレイを高密度に配置することができ、解像度特性の高い撮像素子を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、電子ビームを放出する電子源と、前記電子源に電圧を供給する給電構造とを備えた電子放出素子であって、
前記電子源はシリコン基板で構成され、前記給電構造は前記真空容器の外部に配置されていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記真空容器と前記シリコン基板の少なくとも一部とが封着材で封着されており、前記封着材は、熱膨張係数が前記シリコン基板と略同一の低融点融着ガラスである請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記シリコン基板上に、前記給電構造から前記電子源に電圧を供給する配線パターンを形成した領域があり、前記領域において、前記配線パターンの隣接する配線間の間隔は、前記電子源側に比べ、前記給電構造側が大きくなっている請求項１又は２に記載の電子放出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器内に放出した電子ビームによって画像表示や撮像等に用いる電子放出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子放出素子は、画像表示素子又は撮像素子として用いることができる。電子放出素子を、画像表示素子又は撮像素子として用いた一例が、特許文献１に開示されている。図５は、従来の電子放出素子を画像表示素子とした一例の概略斜視図を示している。真空容器３０内に、冷陰極アレイ部３２と陽極部３１が配置されている。
【０００３】
電子放出素子を画像表示素子又は撮像素子とした場合において、その画像品位すなわち解像度を向上するには、画素の大きさを小さくする必要がある。また、電子放出素子を撮像素子とした場合、カメラ構体などの撮像装置を小型化するためには、撮像素子の大きさを小さくする必要がある。
【０００４】
これらの場合、画素サイズの縮小に伴ない、画素構造に対応する冷陰極アレイへの電圧供給手段である給電構造についてもより小さくし、高密度化する必要がある。高密度な給電方法を実現する従来技術として、例えば特許文献２に提案されたものがある（図示せず）。この技術によれば、隣接した配線間でショートすることなく高密度な給電構造を実現することができる。
【特許文献１】特開平８−１０６８６９号公報
【特許文献２】特開２００３−３３８５１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術において、真空容器内に樹脂系の給電構造を用いた場合、真空容器内でポリマーよりガス放出が生じ、真空容器内の真空度の劣化や電子源の汚染による電子ビーム放出への不具合を引起すという問題があった。
【０００６】
一方、真空環境下での有機系アウトガスが少ない金属系の結線方法として、金線やアルミ線を用いたワイヤーボンディング法がある。この方法では、隣接した配線間の距離を小さくするためには、ワイヤーの線径を細くし、ボンディング部の大きさのばらつきも小さく安定したものにする必要がある。この場合、線径の細いワイヤーは断線し易く、また小径ボンディングを実現するためのキャピラリーも微細化する必要がある。このため、ワイヤーボンディング法による給電構造の高密度化は、取扱いが極めて困難となり、実用性を欠くという問題があった。すなわち、従来の給電構造では、真空環境下における十分な性能の発揮と高密度化とを両立させることは困難であった。
【０００７】
本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、真空環境の劣化や電子源の汚染を生じさせることなく高密度な結線構造を実現できる電子放出素子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】
【０００８】
前記目的を達成するために本発明の電子放出素子は、真空容器と、電子ビームを放出する電子源と、前記電子源に電圧を供給する給電構造とを備えた電子放出素子であって、前記電子源はシリコン基板で構成され、前記給電構造は前記真空容器の外部に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、真空環境の劣化や電子源の汚染を生じさせることなく高密度な結線構造を実現できる電子放出素子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】
【００１０】
本発明によれば、真空容器内のガス放出による真空度の劣化や電子源の汚染による電子ビーム放出への不具合を防止しつつ、隣接する配線の間隔を小さくした給電構造を用いることができる。このため、より多くの電子源アレイを高密度に配置することができ、解像度特性の高い撮像素子や画像表示素子を得ることができる。
【００１１】
前記電子放出素子においては、前記真空容器と前記シリコン基板の少なくとも一部とが封着材で封着されており、前記封着材は、熱膨張係数が前記シリコン基板と略同一の低融点融着ガラスであることが好ましい。この構成によれば、封止の熱工程において、シリコン基板が熱ひずみにより破壊されることを防止することができる。
【００１２】
また、前記シリコン基板上に、前記給電構造から前記電子源に電圧を供給する配線パターンを形成した領域があり、前記領域において、前記配線パターンの隣接する配線間の間隔は、前記電子源側に比べ、前記給電構造側が大きくなっていることが好ましい。この構成によれば、給電構造の配線として、汎用性のあるワイヤーボンディング法を採用することができる。
【００１３】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電子放出素子の概略図を示している。本図の構成は、電子放出素子を撮像素子とした場合の例である。(ａ)図は平面図、（ｂ）は断面図を示している。基板１上に、電子源構体２及び真空容器３が配置されている。真空容器３の内部には、電子源構体２の一部が配置されている。給電構造４には、外部端子構造５が接続されており、電子源構体２と撮像素子の外部との間を電気的に接続することができる。
【００１５】
電子源構体２は、電子放出源となる電界放出型冷陰極アレイ６をシリコン基板（シリコンウエハ）２１に、マトリクス構造で形成したものである。冷陰極アレイ６は、陰電極ライン１７、絶縁膜１６、及びゲート電極１５を含んでいる（図２（ａ））。冷陰極アレイ６は、周知の製造方法によって形成することができる。例えば、特開平８−１９０８５６号公報に開示された製造方法を用いることができる。
【００１６】
図１（ｂ）に示したように、真空容器３のうち冷陰極アレイ６に対向する面は、透光性の窓部７としている。窓部７の内面には、撮像素子陽極部８を形成している。撮像素子陽極部８は、透光性陽極電極及び光導電膜を、スパッタリングや真空蒸着法などによって形成したものである。
【００１７】
真空容器３の側壁部は、スペーサ９により形成しており、冷陰極アレイ６と撮像素子陽極部８との間は所定距離に保たれている。さらに、真空容器３とシリコン基板２１、真空容器３と基板１は、それぞれ封止材１０によってシールされている。このことにより、真空容器３は、その内部が１０-7Ｔｏｒｒの真空状態になるように封止されている。
【００１８】
また、真空容器３の側面部を、真空機密性を保持しつつ貫通した棒状の導電体１１により、撮像素子陽極部８に外部から電位を供給することができる。
【００１９】
基板１及び真空容器３の材料は、ソーダガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、石英ガラス、又はセラミックなどの絶縁材料であり、かつ真空機密性を保持できる材料が用いられる。ここでは、真空容器３の窓部７における光透過性の確保も兼ねて、汎用性の高いソーダガラスを用いた。
【００２０】
撮像素子陽極部８の形成には、まず真空容器３の窓部７のガラス内面に、Ｓｎを含むＩｎ2Ｏ3をスパッタリング法により、約１０ｎｍの透過性陽極電極膜を形成する。次に、正孔注入阻止層として厚さ１５ｎｍのＣｅＯ2の層、光導電膜として厚さ５μｍの非結晶Ｓｅの層を、それぞれ真空蒸着法により成膜する。その後、電子ビームランディング層として、厚さ１００ｎｍのＳｂ2Ｓ3の多孔質膜を、低Ａｒガス雰囲気で蒸着法を用いて形成する。
【００２１】
本実施の形態に係る撮像素子は、主に可視光に感度を有する撮像素子である。これに対し、撮像素子陽極部８が形成される真空容器３の窓部７を、例えばＢｅ、ＢＮ、Ａｌ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3及び有機高分子材料等のＸ線を透過し易い材料に置き換えることにより、Ｘ線撮像素子を形成することができる。
【００２２】
真空容器３と、基板１及びシリコン基板２１の一部とを真空シールする封止材１０には、リン酸ジルコニウム系、リン酸タングステン系、又はリン酸ジルコニウムカルシウム系等の熱膨張調整用フィラーをブレンドしたＰｂＯ・ＢａＯ3系低融点封着ガラスを用いた。
【００２３】
これにより、封止材１０（低融点封着ガラス）の熱膨張係数を、冷陰極構成のシリコン基板２１の熱膨張係数α＝３×１０-6／℃と略一致するように調整した。このことにより、封止の熱工程における約４５０℃の加熱時に、シリコン基板２１が熱ひずみにより破壊されることを防止することができる。
【００２４】
図２は、実施の形態１に係る電子源構体２の構造を示す斜視図である。（ａ）図は（ｂ）図のＡ部の拡大図、（ｂ）図は電子源構体２の全体を示す斜視図、（ｃ）図は（ｂ）図のＢ部の拡大図である。電子源構体２は、シリコン基板２１に、冷陰極アレイ６、給電パッド１２及び配線パターン１３を形成したものである。配線パターン１３は、冷陰極アレイ６と給電パッド１２とを結線している。
【００２５】
冷陰極アレイ６は、マトリクス状に分割され、このマトリクスの１エリアが、撮像素子の１画素に対応している。
【００２６】
１画素の冷陰極エリアには、数１０個の電子源１４が配置されている。電子源１４はシリコン基板２１で構成したものである。電子源１４は、円錐又は四角錐等の多角錐形状のコーン型である。
【００２７】
各電子源１４と、ゲート電極１５の各開孔とが一対に対応している。各電子源１４とゲート電極１５とは、シリコン酸化膜の絶縁体１６で電気的に分離され固定されている。電子源１４の先端部の周りに、ゲート電極１５の開口が対応している。ゲート電極１５はシリコンウエハ２１上に絶縁体１６を介して配置されている。
【００２８】
１画素エリア内では、複数の電子源１４は、電気的に導通が保たれている。さらに、画素を縦（列）方向について見ると、縦方向に延びた陰電極１７のラインによって上下に隣接する各画素の電子源１４同士も、電気的に導通している。また、各ゲート電極１５は、横方向に延びているので、各ゲート電極１５を横（行）について見ると、左右に隣接する画素のゲート電極１５同士は電気的に導通している。すなわち、縦方向に延びた各陰電極１７のラインと、横方向に延びた各ゲート電極１５のラインとが、マトリクス状に配置されていることになる。また、各陰電極１７、各ゲート電極１５は、それぞれシリコンウエハ２１内に形成された配線パターン１３によって給電構造４に導かれている。
【００２９】
本実施の形態に係る電子源構体２の一実施例として、撮像エリアに相当する冷陰極アレイ６は、縦横比を４：３とし、対角長さを１６．９ｍｍとした。この場合、冷陰極エリアの画素数は、縦４８０、横６４０の約３１万画素とした。また、１つの冷陰極エリアの大きさは、約２１．２μｍ角とし、この冷陰極エリアに約１００個の陰電極１４を有する構造とした。この場合、電子源構体２全体の外形寸法は、約１５ｍｍ角、厚み０．７ｍｍである。
【００３０】
この実施例では、縦のラインである陰電極１７のラインには、１ラインずつ負の電位（ここでは−２５Ｖ）が印加され、横のラインであるゲート電極１５のラインには、１ラインずつ正の電位（ここでは＋３５Ｖ）が印加される。
【００３１】
この場合、電位が印加された陰電極１７のラインと、電位が印加されたゲート電極１５のラインとの交点に対応した冷陰極エリアのみが、電子ビームを放出することになる。電圧が印加される陰電極１７及びゲート電極１５は、それぞれ時系列的に隣接ラインに順次移行するいわゆる点順次走査によって、電子ビームが放出されることになる。
【００３２】
図３は、本実施の形態に係る給電構造を示している。以下、陰電極１７用の給電構造４について説明するが、ゲート電極１５用の給電構造４についても同様の構成である。図２（ｂ）、（ｃ）に示したように、電子源構体２の端部に、バンプパッド１２が形成されている。バンプパッド１２は、陰電極１７の各ラインに対応している。図３に示したように、外部端子構造５側には、バンプパッド１８が形成されている。電子源構体２側のバンプパッド１２と、外部端子構造５側のバンプパッド１８とは、導電性バンプ１９を介して１対１に対応している。また、導電性バンプ１９の側壁側には、側壁絶縁膜２０が形成されている。
【００３３】
ここで、側壁絶縁膜２０は、ポリマイド膜又はエポキシで構成されており、導電性バンプ１９の側壁に塗布し易いように、液状に変化し易い膜質である。導電性バンプ１９の材料は、無電解メッキによって形成されたニッケル又はニッケル合金を用いている。
【００３４】
各導電性バンプ１９の隣接間距離、又はバンプパッド１２、１８の隣接間距離は、冷陰極エリアにおける隣接間距離と同じく２１．２μｍとした。ここで、各導電性バンプ１９の間には側壁絶縁膜２０を形成していることから、隣接する導電性バンプ１９が短絡することはなく、側壁絶縁膜２０の耐電圧破壊が生じる以下の電圧では導通することはない。
【００３５】
本実施の形態では、導電性バンプ１９と側壁絶縁膜２０とで給電構造４を構成したが、電導性パーティクルを含む異方性電導ポリマー膜を用いることもできる。
【００３６】
また、前記のような電極構成、材質、形状、電圧は、電子放出素子の大きさ、用途、要求性能によって変わるものであり、所望の構成、材質、形状、電圧を用いてもよい。
【００３７】
本実施の形態の構成によれば、真空容器３内には、撮像素子陽極部８、電子源構体２及び基板１の一部が包含されている。これらは真空容器３内の真空環境に曝されることになるが、これらからのアウトガスのガス種は窒素、酸素、水素がほとんどで、これらのガス種については、真空容器３を真空封止する工程において加熱等により十分に除去することができる。
【００３８】
一方、給電構造４の一部を形成するポリマイド膜やエポキシなどのポリマー材は、高真空環境下では、多くのアウトガスを発生する可能性がある。しかしながら、本実施の形態では、給電構造４を真空容器３の外に配置している。このことにより、真空容器３内のガス放出による真空度の劣化や電子源の汚染による電子ビーム放出への不具合を防止しつつ、隣接する配線の間隔を小さくした給電構造を用いることができる。このため、より多くの電子源アレイを高密度に配置することができ、解像度特性の高い撮像素子を得ることができる。
【００３９】
（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る電子放出素子の概略図である。本図の構成は、実施の形態１と同様に、電子放出素子を撮像素子とした場合の例である。(ａ)図は平面図、（ｂ）は断面図を示している。
【００４０】
基板１上に、電子源構体２及び真空容器３が配置されている。真空容器３の内部には、電子源構体２の一部が配置されている。給電構造４に外部端子構造５が接続されている。この接続により、電子源構体２と撮像素子外部との間を電気的に接続することができる。ここまでの構成は、実施の形態１と同様である。
【００４１】
本実施の形態では、シリコン基板２１上に配線パターン２２の形成領域を設け、この領域において、配線パターン２２は隣接する配線の間隔を、冷陰極アレイ６側に比べ、給電構造４側を大きくしている。配線パターン２２を配置するため、電子源構体２の外形寸法は、実施の形態１の約１５ｍｍ角より大きくし、３５ｍｍ角とした。
【００４２】
給電構造４には、金線又はアルミ線を用いたワイヤーボンディング法を用いることができる。本実施の形態では、金線によるボール・ボンディング方式を用いた。給電構造４における冷陰極アレイ６の配線パターンの隣接間距離は、５０μｍとし、ワイヤーボンディングに用いたワイヤー径はφ２５μｍとした。給電構造４としてワイヤーボンディング法を用いたときは、ワイヤーボンディング部が構造上、外部に暴露するので、ワイヤーボンディング部は、エポキシなどの樹脂でモールドした。
【００４３】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、給電構造４を真空容器３の外部に配置している。したがって、前記のようにワイヤーボンディング部を樹脂モールドしても、真空容器３内のガス放出による真空度の劣化や電子源の汚染による電子ビーム放出への不具合を防止することができる。
【００４４】
さらに、本実施の形態では、電子源構体２の一部に冷陰極アレイ６の配線パターンの隣接間距離を拡大する領域を設けている。このことにより、電子源アレイを高密度に配置した場合であっても、給電構造４における実効的な隣接間距離を大きくすることができ、汎用性のあるワイヤーボンディング法を採用することが可能になっている。このため、実施の形態１と同様に、より多く電子源アレイを高密度に配置することができ、解像度特性の高い撮像素子を得ることができる
なお、前記実施の形態１、２は、電子放出素子を撮像素子とした場合の例で説明したが、画像表示素子とした場合であっても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明によれば、真空環境の劣化や電子源の汚染を生じさせることなく高密度な結線構造を実現できるので、本発明は画像表示や撮像等に用いる電子放出素子に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電子放出素子の概略図。
【図２】本発明の実施の形態１に係る電子源構体２の構造を示す斜視図。
【図３】本発明の実施の形態１に係る給電構造を示す断面図。
【図４】本発明の実施の形態２に係る電子放出素子の概略図。
【図５】従来の電子放出素子を画像表示素子とした一例の概略斜視図。
【符号の説明】
【００４７】
１  基板
２  電子源構体
３  真空容器
４  給電構造
５  外部端子構造
６  冷陰極アレイ
１０  封止材
１２，１８  給電パッド
１３，２２  配線パターン
１４  電子源
１５  ゲート電極
１７  陰電極
【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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