(57)【要約】陰極（１０）から陽極（３０）までの電子を集束するために電子レンズが用いられる。そのレンズは、陰極（１０）から第１の距離（４８）に第１の開口部（３８）を有する第１の導電層（３６）を含む。第１の導電層（３６）は、第１の電圧に保持される。また、そのレンズは、第１の導電層（３６）から第２の距離（４６）にあり、かつ陽極（３０）から第３の距離（２４）にある、第２の開口部（３４）を有する第２の導電層（３２）も含む。第２の導電層（３２）は陽極（３０）の電圧に概ね等しい第２の電圧に保持される。第１の開口部（３８）および第２の開口部（３４）は、第１の電圧と、第２の電圧と、第１の距離（４８）と、第２の距離（４６）と、第３の距離（２４）とに基づいて選択される。その開口部は、陰極（１０）から放出される電子を、陽極（３０）上に、好ましくは４０ｎｍ未満のスポットサイズに集束する。陰極（１０）と陽極（３０）との間に生成される力はレンズの構造によって最小限に抑えられる。【選択図】図３
2004535657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極（３０）上に集束される電子ビームを生成するための電界放出デバイスであって、
少なくとも１つの電子放出器（２０）を有する陰極層（１０）と、
集束レンズ（３８）とを含み、その集束レンズが、
前記陰極層（１０）上に配置されたレンズ層（３６）と、および
前記レンズ層（３６）と前記陽極（３０）との間に配置されたシールド層（３２）とを含み、前記レンズ層（３６）と前記陽極（３０）との間の静電引力が低減される、電界放出デバイス。
【請求項２】
前記レンズ層（３６）と前記シールド層（３２）との間の距離と、前記シールド層（３２）と前記陽極（３０）との間の距離との和が、前記レンズ層（３６）と前記陰極層（１０）との間の距離の約１ないし約２倍である、請求項１に記載の電界放出デバイス。
【請求項３】
前記陰極層から前記レンズ層までの距離、および前記レンズ層から前記シールド層までの距離が概ね等しい、請求項１に記載の電界放出デバイス。
【請求項４】
前記陰極層（１０）から前記レンズ層（３６）までの距離が、約５マイクロメートルである、請求項１に記載の電界放出デバイス。
【請求項５】
前記レンズ層（３６）および前記シールド層（３２）が、前記集束される電子ビームを生成するための開口部（３４、３８）を含み、その開口部（３４、３８）が概ね同じ直径を有する、請求項１に記載の電界放出デバイス。
【請求項６】
前記レンズ層（３６）の前記開口部（３８）の直径が、約７．２マイクロメートルである、請求項１に記載の電界放出デバイス。
【請求項７】
前記陰極層（１０）と前記陽極（３０）との間に生成される前記静電引力が、０．０３Ｎ／ｃｍ２未満である、請求項１に記載の電界放出デバイス。
【請求項８】
前記集束される電子ビーム（４０）が、前記陽極（３０）上に４０ナノメートル未満の集束されたスポットサイズ（４４）を生成する、請求項１に記載の電界放出デバイス。
【請求項９】
前記レンズ層（３６）および前記シールド層（３２）が、５００Ｖより大きい電位差を有する、請求項１に記載の電界放出デバイス。
【請求項１０】
前記シールド層（３２）と前記陽極（３０）との間の距離が、約２マイクロメートルまたはそれ未満である、請求項１に記載の電界放出デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出器（emitter：エミッタ）のためのレンズ設計に関し、特に、多くの場合に多数の電子装置に組み込まれる大容量記憶装置およびディスプレイ装置において使用される電子放出器に関する。
【０００２】
発明の背景
コンピューティング技術では、容量は大きくなっているが、価格は下がり続けている。コンピューティング技術がこれらの前向きな流れを続けることができるためには、大容量記憶装置およびディスプレイ装置のような周辺装置が、進歩し続けなければならない。最新のパーソナルコンピュータにおいて見られるマイクロプロセッサの進歩の速さに遅れないようにするために、数例を挙げると、ディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭおよびＤＶＤドライブのような大容量記憶装置が不足していることについての多くの批判の声が業界紙にあがっている。たとえば、ハードディスクドライブは、この１０年間に著しく記憶密度を高めることができたが、現在、さらに進歩するのを妨げる物理的な限界に直面している。いくつかのハードディスクドライブはポータブル装置とともに動作するように小型化されてきたが、高い電力要件によって依然として、より長期の電池動作が制限されている。エネルギー効率がより高く、高い記憶密度の記憶装置が必要とされている。
【０００３】
ＬＣＤモニタのようなディスプレイ装置は、ほとんど欠陥がない状態でそれらを製造するという複雑性に起因して、要求を満たすのが困難になってきている。さらに、反射型ＬＣＤ技術を利用する場合に、種々の周囲光条件において視認できるようにするために、バックライトを追加することが必要になっている。これらのバックライトはさらなる電力を必要とし、それにより長期の電池動作をさらに制限する。
【０００４】
長年、受像（ＴＶ）管およびコンピュータモニタのような消費者製品において、電子ビーム技術が提供されている。これらの装置は、画面に誘導され、集束される電子の電子源を生成するために、熱陰極の電極として知られるものを利用する。多数の新たな技術分野において研究が行われてきたが、スピント先端放出器およびフラット放出器のような冷陰極電子放出器の分野が、多数の製造業者の注目を集めている。この冷陰極技術を製品に転用する際にいくつかの問題がある。１つのそのような問題は、大容量記憶装置およびディスプレイ装置の場合のように高密度の放出デバイスを必要とする複数の応用形態において用いることができる電子集束構造を生み出すことである。一般的に、これらの応用形態は、電子発生源（一般的に陰極と呼ばれる）と媒体または表示面（一般的に陽極と呼ばれる）との間に高い電位差を必要とする。しかしながら、コンパクトな装置を作成する場合、陽極と陰極とはごくわずかな距離しか離隔されないであろう。この短い距離によって、陰極源から陽極上に電子をむらなく厳格に集束するのを達成することが難しくなる。むらなく厳格に集束することが達成可能である場合、ビット距離が小さくなるという理由から、より高い記憶密度が可能になる。陽極および陰極は高い電位差に保持されるので、高い電位によって生成される静電力が、それらの間に引力を生成する。この引力は、特に大容量記憶装置の媒体表面のような、この力に打ち勝たなければならない可動構成要素を用いる場合に、さらなる問題を生み出す。実際には、媒体表面を制御するモータはさらなる電力を消費する必要があるので、ポータブル製品の電池寿命に影響を及ぼす。ディスプレイ装置では、この望ましくない力は、望ましくない撓みまたはねじり応力を生み出す可能性がある。この望ましくない引力が低減または除去されなければ、冷陰極電子放出技術を利用することが先延ばしされる可能性もある。したがって、陽極と陰極構造との間の引力を最小限に抑えると同時に、製造工程のばらつきに対する許容誤差も維持する新たなレンズ構造が必要とされている。
【０００５】
発明の概要
陰極から陽極までの電子を集束するために電子レンズが用いられる。そのレンズは、陰極から第１の距離に第１の開口部を有する第１の導電層を含む。第１の導電層は第１の電圧に保持される。また、レンズは、第１の導電層から第２の距離にあり、かつ陽極から第３の距離にある第２の開口部を有する第２の導電層を含む。第２の導電層は、陽極の電圧に実質的に等しい第２の電圧に保持される。第１および第２の開口部は、第１の電圧、第２の電圧、第１の距離、第２の距離および第３の距離に基づいて選択される。陰極と陽極との間に生成される力は、そのレンズの構造によって最小限に抑えられる。
【０００６】
以下の図面を参照することにより、本発明はいっそうよく理解される。図面の構成要素は互いに対して必ずしも一定の縮尺ではない。もっと正確に言えば、それよりむしろ、本発明を明確に示すことに重点が置かれている。さらに、いくつかの図面を通して、類似の参照番号は、必ずしも全く同じではないが、対応する類似の部品を示す。
【０００７】
好適な実施形態の詳細な説明
陰極と陽極との間の引力を最小限に抑えるための１つの技術は、図１Ａおよび図１Ｂに示される電界放出デバイスに例示されるような共面レンズおよびシールドを用いることである。図１Ａは電界放出デバイスの平面図である。図１Ｂは、典型的な陽極３０とともに、Ｉ−Ｉに沿って見た図１Ａの電界放出デバイスの断面図である。陰極１０は、電子ビームを生成するために、その上またはその中に配置された電子放出器２０を有する。陰極上には誘電体層１２が配置され、電気的な絶縁、および好ましくは熱的な絶縁を与えることが好ましい。誘電体層１２上には、共面レンズ１６と、好ましくは共面シールド１４が配置される。シールド‐レンズ間隔２２が共面レンズ１６と共面シールド１４とを分離する。共面レンズ１６内には共面レンズ開口部１８があり、共面レンズ開口部１８は、静電界を生成するために用いられ、その静電界は、好ましくは電子放出器２０から、共面レンズ１６および共面シールド１４からシールド‐レンズ間隔２４だけ離隔された陽極３０上に電子ビームを集束することにより、電子ビームに影響を及ぼす。共面シールド１４は、陽極３０の電位またはそれに近い電位に保持され、陽極３０と陰極１０の構造との間の引力を最小限に抑えるために用いられることが好ましい。この構造は陽極３０と陰極１０の構造との間の引力を低減するが、共面レンズ１６と陽極３０との間の電位差に起因する引力２６はそのままである。この引力２６は、陽極３０と陰極１０との間の間隔を制限する。陽極３０が大容量記憶装置の場合のような媒体表面である場合、媒体表面を移動させるために用いられるモータは、その引力２６に打ち勝つためにさらに大きな力を出さなければならないので、より多くの電力が消費され、および／またはより大きなモータが利用される。陽極３０がディスプレイ表面である場合には、その引力によって、より厚みのあるディスプレイ基板またはさらに大きなスペーサ材料が必要とされ、製造コストおよび重量の双方が増加する。陽極３０および電子レンズを長い距離だけ離隔しておくことにより、引力は最小限に抑えられる。しかしながら、この長い距離によって、陽極３０上に集束されるスポットのサイズは、製造工程によって影響を受けるレンズおよびシールドの幾何学的形状におけるわずかなばらつきにも大きく影響されやすくなる。製造工程によって引き起こされる、予想される部品間のばらつきは、スポットサイズを、いくつかの応用形態に必要とされるサイズよりも大きなサイズに制限する。
【０００８】
図２Ａおよび図２Ｂは、電子レンズの構造および設計を示しており、その電子レンズによれば引力は小さく、好ましくは０．０３Ｎ／ｃｍ２未満になり、製造工程のばらつきに対する許容誤差が大きくなる。図２Ａは、本発明のレンズ構造を組み込む電界放出デバイスの平面図である。図２Ｂは、II−IIに沿って見た、陽極３０の構造を含む図２Ａに示される電界放出デバイスの断面図である。陰極１０は、その上に、またはその中に配置された電子放出器２０を有する。電子放出器は、シールド層３２と陰極１０との間に配置されたレンズ層３６を用いて陽極３０上に集束される電子のビームを生成する。シールド層３２はレンズ層３６と陽極３０との間に配置される。レンズ層３６はレンズ開口部３８を有し、レンズ開口部３８を用いて、陽極３０上に電子ビームを集束する。シールド層３２は、好ましくは電子ビームがシールド層３２を通過して陽極３０上に進めるようにするレンズ開口部３８と同じ直径のシールド開口部３４を有する。レンズ層３６は第１の誘電体層１３上に配置されることが好ましい。シールド層３２は、第２の誘電体層１５上に配置されることが好ましい。レンズ層３６、第１の誘電体層１３、第２の誘電体層１５およびシールド層３２は、半導体またはディスプレイ薄膜技術を用いて陰極１０上に集積化され、それにより陰極構造１１を形成することが好ましい。レンズ層３６は第１の距離４８だけ陰極１０から分離される。シールド層３２は、第２の距離４６だけレンズ層３６から分離される。シールド層３２は、第３の距離２４だけ陽極３０から分離される。
【０００９】
第２の距離４６と第３の距離２４との和は、第１の距離４８の約１〜約２倍の距離の範囲内にあることが好ましい。たとえば、一実施形態では、第１の距離４８および第２の距離４６は概ね互いに等しく、陽極３０を陰極構造１１から離隔する第３の距離２４より大きい。レンズ開口部３８およびシールド開口部３４の寸法は、電子放出器２０から放出される電子が陽極３０上にスポット像を形成するように選択され、それは４０ナノメートル未満である。また、スポットサイズは、陰極１０に印加される電圧に対して、レンズ層３６、シールド層３４および陽極３０に印加される電圧によっても影響を受ける。また、種々の層に印加される電圧は引力２６にも影響を及ぼすであろう。
【００１０】
たとえば、図３は、図２Ａおよび図２Ｂの電界放出デバイス上に電子レンズのために確立される典型的な電界４２を例示する。陰極１０、レンズ層３６、シールド層３２および陽極３０に種々の電圧を印加することにより生成される静電力が、電界４２を生成する。電界４２を生成することにより、電界放出デバイス２０は、集束型電子放出器１３０になる。電界４２は、電子放出器２０によって放出される電子ビームの方向を変更し、陽極３０上に像スポット４４を生成する集束されたビーム４０を生成する。第１の誘電体層１３および第２の誘電体層１５の材料は、電界４２への影響を最小限に抑えるように選択されることが好ましい。第１の誘電体層１３および第２の誘電体層１５は、同じ誘電体材料または異なる誘電体材料とすることができる。
【００１１】
電子レンズおよび放出器は、半導体デバイス技術で製作されることが好ましい。本発明のデバイスは、広範な半導体デバイス技術に適用することができ、種々の半導体材料から製作され得る。以下の説明は、現時点で入手可能な半導体デバイスの大部分がシリコン基板に製作され、本発明の最も一般的に直面する応用形態がシリコン基板を含むことになるので、シリコン基板に実施されるような本発明の半導体デバイスのいくつかの現時点で好ましい実施形態を論じる。それにもかかわらず、本発明は、ガリウムヒ素、ゲルマニウムおよび他の半導体材料において有利に用いられることもできる。したがって、本発明は、シリコン半導体材料に製作されるそれらのデバイスに限定されることを意図しているわけではなく、ポリシリコン・オン・ガラス基板を用いる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）技術のような、当業者が利用可能な半導体材料および技術のうちの１つまたは複数のものにおいて製作されるデバイスを含むであろう。
【００１２】
図面が正確な縮尺でないことに留意されたい。さらに、能動素子の種々の部分は、一定の縮尺で描かれていない。本発明をより明確に図示し、本発明の理解をもたらすために、ある特定の寸法が他の寸法に対して誇張されている。
【００１３】
さらに、本明細書に示される実施形態は、深さおよび幅を有する種々の領域を用いて２次元で示されるが、これらの領域は、実際には３次元構造であるデバイスの一部分のみを例示することは明確に理解されたい。したがって、実際のデバイス上に製作される場合には、これらの領域は長さ、幅および深さを含む３次元を有するであろう。さらに、本発明は能動素子を対象とする好ましい実施形態によって例示されるが、それは、これらの例示が本発明の範囲または適用可能性を限定することを意図するものではない。本発明の能動素子を、図示された物理的な構造に限定することは意図していない。これらの構造は、現時点で好ましい実施形態に対する本発明の有用性および応用形態を例示するために含められる。
【００１４】
図４は、電子源としてフラット放出器２１を用いる本発明の第１の実施形態の例示的な図である。フラット放出器２１は、他の導電性基板を用いることもできるが、好ましくはシリコン基板である基板５４から、数例を挙げるとＴｉＯｘ、ＳｉＣまたはＳｉＮのような絶縁体層５６によって分離されたフラット放出器陰極５８を有する。いくつかの他の絶縁体層材料も存在し、当業者には知られている。放出器電圧源６２がコンタクト５２を介して基板５４に、およびフラット放出器陰極５８に接続される。印加される電圧は一般に５〜２０Ｖであり、この電位が絶縁体層５６を横切る電子のトンネル現象を生じさせる。十分な数の突き抜けた電子は、フラット放出器陰極５８を脱出して、電子放出５０を生成するだけの十分なエネルギーを有する。レンズ層３６は、フラット放出器陰極５８から第１の距離４８、たとえば約５マイクロメートルに配置される。レンズ層３６は、レンズ電圧源６４に接続される。レンズ層に印加される電圧は、レンズ開口部３８内に電界４２を生成し、フラット放出器陰極５８からの電子放出５０を集束するために用いられる。たとえば、レンズ層３６の電圧は約０Ｖに設定されることが好ましい。シールド層３２が、レンズ層３６と、ディスプレイまたは媒体表面のような陽極３０との間に第２の距離、たとえば約５マイクロメートルで配置される。陽極３０は、シールド層３２上に第３の距離２４、たとえば約２マイクロメートルまたはそれ未満で配置される。シールド層３２および陽極３０は、好ましくは５００ボルトより大きい、たとえば約７００ボルトのような、図示されたものと同じ陽極電圧源６６に接続される。必要に応じて、シールド層３２および陽極３０は、電気回路を形成する際にたびたび直面する電圧降下または他の損失を相殺するために、小さな電位差を有することができる。また、シールド層３２と陽極３０との間の電位差をわずかに調整することにより、集束を微調整することができる。シールド層３２と陽極層３０とを実質的に同じ電位にすることにより、陽極と陰極との間の静電引力の大きさを最小限に抑え、シールド層３２に対して陽極３０を第３の間隔２４まで接近させることが可能になる。
【００１５】
図５は本発明の第２の実施形態であり、この場合、電子放出器は、電子放出５０を生じさせるための１つまたは複数のスピント先端放出器６０からなるグループである。スピント先端放出器６８は、当業者に知られている任意のいくつかの工程を用いて、好ましくはシリコンである基板５４上に形成される。基板５４は、スピント先端放出器６８、レンズ層３６、シールド層３２および陽極３０の電圧を設定するための基準点を与えるコンタクト５２を有する。スピント先端放出器６８は、放出器電圧６２、好ましくは約５〜２０Ｖに設定される。スピント先端部の先細り形状のため、電界が高められ、電子がその先端部に引き寄せられ、放出されて、電子放出５０が生じる。レンズ層３６は開口部３８を有し、電子放出５０はその開口部を通り抜け、集束されて、陽極３０において好ましくは直径４０ナノメートル未満のスポットサイズまで、さらに好ましくは１０ナノメートル未満まで集束されたビームを形成する。その開口部３８は、この例示的な実施形態では約７．２マイクロメートルであることが好ましい。レンズ層３６はレンズ電位６４、好ましくは約０Ｖに保持されるが、電界放出デバイスを構成するために選択された実際の寸法に応じて、他の値を用いることもできる。レンズ層３６、シールド層３２、陽極３０およびスピント先端放出器６０間の電位差に起因して、レンズ開口部３８の領域に電界４２が生成される。この電界４２は、電子放出５０を再配向して、集束する。レンズ層３６は、スピント放出器６８の先端部から第１の距離４８に配置される。陽極層３０は、陽極電位６６、好ましくは５００Ｖより大きく、より好ましくは約７００Ｖに保持される。この陽極電位６６は電子を陽極３０の表面上へ引き寄せる。陽極と陰極の構成要素との間で静電引力を防ぐために、レンズ層３６と陽極３０との間にシールド層３２が配置される。シールド層３２は、好ましくはレンズ開口部３８と同じ形状およびサイズのシールド開口部３４を有する。シールド層３２は、レンズ層から第２の距離４６に、および陽極３０の層から第３の距離２４に間隔をおいて配置される。第１の距離は、好ましい実施形態の場合に約５マイクロメートルであることが好ましい。第２の距離は、実質的に第１の距離と同じ５マイクロメートルであることが好ましく、第３の距離は、約２マイクロメートルまたはそれ未満であることが好ましい。
【００１６】
図６は、概念的なディスプレイ７０における本発明の第３の代替実施形態である。そのディスプレイはピクセル７２のアレイから構成され、ピクセルはさらに赤、青、緑の順に配列されることが好ましいが、単色とすることもできる。ピクセル７２は画面７４上に形成される。放出器基板７８は、１つまたは複数の電子放出器２０を有し、それらは長方形のフラット放出器として示されており、電子放出５０を生じさせるために個々に制御される。電子放出５０は、好ましくはアルミニウム、金または他の金属または半導体薄膜のような材料の導電性の層から形成されるレンズ層３６を用いて集束される。レンズ層３６は画面７４と放出器基板７８との間に配置される。一般に、画面７４は、電子放出５０を引き寄せるために、たとえば７００Ｖのような５００Ｖより大きな電位に保持される。レンズ層３６はレンズ開口部３８を有し、レンズ開口部は電子放出５０を画面７４上にあるピクセル７２のスポットサイズ上に集束する。レンズ層３６は、放出器表面に対して、−２０Ｖのような電位に保持され、レンズ開口部３８の周囲およびその中に電界を生成し、電子レンズを形成する。画面７４、放出器基板７８、およびレンズ層３６の間の電位差は静電引力を生成し、それにより画面７４がレンズ層３６および放出器基板７８に引き寄せられる。この引力を最小限に抑えるために、画面７４とレンズ層３６との間にシールド層３２が配置される。シールド層３２は、好ましくはレンズ開口部３８と同じ形状およびサイズのシールド開口部３４を有し、電子放出５０がシールド層３２を通って画面７４まで通過できるようにする。
【００１７】
図７は、集積ディスプレイ装置８０の形態をとる本発明の第４の代替実施形態である。集積ディスプレイ装置８０は、好ましくはシリコン基板であるが、必要に応じて別のタイプの半導体か、または代案としてガラス基板である陰極１０から形成される。係る材料からなるいくつかの実現可能な基板が当業者には知られている。この例示的な設計における陰極１０は、陰極１０上に形成される薄膜層２８のスタックを有する。薄膜層２８のスタックは、好ましくはスピント先端放出器６８のアレイを組み込むか、または必要に応じてフラット放出器のアレイを組み込む。スピント先端放出器６８は、ここでは、ピクセル燐光体８４毎に１つのスピント先端部を有するものとして示されるが、ピクセル燐光体８４当たり２つ以上のスピント先端部が存在してもよい。各スピント先端部６８は、薄膜層２８のスタック内に具現化され、画面陽極８６と陰極との間に配置されたレンズ層３６で集束される電子放出５０を生じさせることができる。また、薄膜層２８のスタック内にはシールド層３２があり、シールド層はレンズ層３６と概ね同じ寸法であるが、異なる電位に、好ましくは画面陽極８６の電位と同じに保持され、好ましくは薄いガラスまたは他の透明基板から形成される画面８２に作用する静電引力を低減する。シールド層３２はレンズ層３６と画面陽極８６との間に配置される。画面８２は、薄膜層２８のスタックからスペーサ８８によって、陽極シールド間隔距離２４だけ間隔をおいて配置される。スペーサ８８は、当業者に知られているいくつかの任意の材料から選択されて形成される。また、スペーサ８８は、気密封止も提供することが好ましいが、必要に応じて、別のシール８９または接着剤が、集積ディスプレイ装置８０の周辺部の周りに付着され得る。
【００１８】
図８は、概念的な大容量記憶装置９０において用いられる本発明の第５の実施形態である。概念的な大容量記憶装置９０は、好ましくは垂直なスタックに構成された３つの基板を有するものとして例示的に示される。陰極１０は、電子放出器２０を含む１つの表面上に形成された薄膜層２８のスタックと、レンズ層３６と、シールド層３２とを有する。電子放出器２０およびレンズ層は、陰極１０とステータ基板９４との間に配置されたロータ基板９２上にある媒体表面９６上に、小さな、好ましくは約１０ナノメートルのような４０ナノメートル未満のスポットサイズを生成する集束されたビーム４０を生成する。ロータ基板９２上にある媒体表面９６は、集束されたビーム４０のエネルギーによって影響を受ける相変化材料から作成されることが好ましい。相変化材料は、高いパワーレベルの集束されたビーム４０を用いて、集束されたビーム４０のパワーレベルを急速に減少させることにより、結晶状態から非晶質状態９３に変化することができる。相変化材料は、高いパワーレベルの集束されたビーム４０を用いて、そのパワーレベルをゆっくりと減少させ、媒体表面がアニールされて結晶状態になるための時間をかけるようにすることにより、非晶質状態９３から結晶状態に変化することができる。例示的な材料は、テルル化ゲルマニウム（ＧｅＴｅ）およびＧｅＴｅを基にした三元合金である。別の例示的な材料はセレン化インジウム（ＩｎＳｅ）である。いくつかの他の相変化材料が当業者に知られており、本発明の範囲および思想から逸脱することなく、代用され得る。ロータ基板９２およびステータ基板９４は、ロータ基板９２が第１の方向と、好ましくは第２の方向とに移動できるようにし、単一の電子放出器２０が媒体表面上の多数の場所において読出しおよび書込みを行うことができるようにするための電子回路を含む。ロータ基板９２が陰極１０に引き寄せられないようにするために、薄膜層のスタックは、レンズ層３６とロータ基板９２との間に配置されたシールド層３２を含む。
【００１９】
媒体表面から読出しを行うために、低エネルギーの集束されたビーム４０が媒体上の媒体表面に当たり、それにより電子が媒体基板９０に流れ、リーダ回路９８がそれらを検出する。検出される電流の量は、集束されたビーム４０が当たった媒体表面の状態、すなわち非晶質または結晶の状態によって決まる。例示的なリーダ回路９８の動作が、媒体表面９６に接続される第１のコンタクト９１と、媒体基板９２に接続される第２のコンタクトとを有するものとして示される。基板内に流れる電流は、増幅器９５によって電圧に変換され、リーダ出力９９が生成される。他のリーダ回路も当業者によって知られており、本発明の範囲および思想から逸脱することなく、代用され得る。
【００２０】
図９は、例示的な集積大容量記憶装置１００によって示される本発明の第６の実施形態である。集積大容量記憶装置１００は３つの基板、すなわち陰極１０と、ロータ基板９２と、ステータ基板９４とを含む。ロータ基板９２は、好ましくはステップモータタイプの動作で、静電回路１０４を用いて好ましくは第１および第２の方向に移動することができる基板の一部分の上に少なくとも１つの媒体表面を有する。移動可能な媒体表面９６は、好ましくはロータ基板をエッチングすることにより形成されたばね１０２によって支持される。移動可能な媒体表面９６を製作するためのいくつかの異なる微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）構造が当業者には知られている。
【００２１】
ステータ基板９４とロータ基板９２との間の電気的な接触は、コンタクト１０６によって実施される。好ましくは、接着シール１０８によってロータ基板９２がステータ基板９４に取り付けられることが好ましく、そのシールは内部を密封し、集積大容量記憶装置１００内の真空環境を保持することが好ましい。また、ロータ基板９２は、同じく気密シールであることが好ましいスペーサ８８を用いて陰極１０にも取り付けられる。必要に応じて、陰極１０をロータ基板９２に対して接着および／または封止するために、スペーサ８８の代わりに、またはスペーサ８８と共に別のシール８９を用いることができる。
【００２２】
陰極１０は、従来の半導体工程を用いて付着されることが好ましい薄膜層２８のスタックを含む。薄膜層２８のスタックは、ここではフラット放出器として示される１組の電子放出器２０を含むが、スピント先端放出器を用いることもでき、それらは電界４２を生成するレンズ層３６を用いて集束され、その電界によって、媒体表面９６上で好ましくは４０ナノメートル未満、さらに好ましくは１０ナノメートル未満のスポットサイズまで集束されたビーム４０が生成される。レンズ層は約７．２マイクロメートルのレンズ開口部を有することが好ましい。陰極１０とロータ基板９２との間の空間は、好ましくは１０−３トル未満まで真空にされ、電子放出器２０から放出される電子が、電子放出器２０に損傷を与える可能性がある気体または他の粒子と衝突するのを防ぐことが好ましい。電子放出器２０は第１の電位に保持され、好ましくはトンネル効果の技術によって電子が生成される。第１の電位は約２５Ｖ未満であることが好ましい。レンズ層３６はグランドに対して約０Ｖであることが好ましい第２の電位に保持され、電子を集束するために用いられる電界４２を生成する。媒体表面９６は、好ましくは５００Ｖより大きい、たとえば約７００Ｖである第３の電位に保持され、電子放出器２０から放出される電子を引き寄せることが好ましい。媒体表面９６とレンズ３６との間の電位差は、ロータ基板９２の移動可能な媒体表面を陰極１０の方へ引っ張る傾向のある静電引力を生成する。静電モータ１０４はこの力に打ち勝つ必要があり、したがって、おそらく大きな構成要素が必要である。構成要素が大きくなると、消費電力が増加し、さらに製造コストも上昇する。このように電力を増加させる必要性を回避するために、レンズ層３６と媒体表面９６の陽極との間の薄膜層のスタック内にシールド層３２を追加することにより、この静電引力が最小限に抑えられる。シールド層３２は媒体表面とほぼ同じ電圧に保持されることが好ましい。シールド層は、レンズ層と同じ幾何学的形状およびサイズの開口部を有することが好ましく、集束される電子ビーム４０へのシールド層の作用を最小限に、好ましくは電子放出器２０当たり０．０３Ｎ／ｃｍ２未満の力に抑えることが好ましい。レンズ層は電子放出器から、第１の距離、好ましくは約５マイクロメートルだけ離隔され、シールド層はレンズ層から、第２の距離、好ましくは第１の距離に等しい距離だけ離隔されることが好ましい。陰極１０と、陽極上の媒体表面９６との間の静電力を本質的に除去することにより、媒体表面９６と陰極１０の表面との間の間隔は、２マイクロメートル未満のような最小限の距離に保持され、スペーサ８８が従来の薄膜スパッタリング技術を用いて堆積されることが可能になる。
【００２３】
図１０は、数例を挙げると、コンピュータ、テレビゲーム、インターネット機器、端末、ＭＰ３プレーヤまたは携帯情報端末のような電子装置１１０の例示的なブロック図である。電子装置１１０は、インテルのペンティアム（Ｒ）プロセッサまたは互換性のあるプロセッサのようなマイクロプロセッサ１１２を含むことができるが、他のプロセッサも存在し、当業者には知られている。マイクロプロセッサ１１２は、データおよび／または入力／出力機能を制御するためにマイクロプロセッサ１１２によって用いられる、コンピュータの実行可能なコマンドを保持することができるコンピュータ読取り可能メモリを含むメモリ装置１１４に接続される。また、メモリ１１４は、マイクロプロセッサ１１２によって処理されるデータも格納することができる。また、マイクロプロセッサ１１２は、記憶装置１１６またはディスプレイ装置１１８、またはその両方にも接続される。記憶装置１１６およびディスプレイ装置１１８は、本発明のレンズ構造で集束され、シールドされる電界放出デバイスを示す、前述された図面および説明において例示されるような本発明の一実施形態を含む。
【００２４】
本発明から実質的に逸脱することなく、開示された実施形態に対して多くの変形および修正を実施できることが当業者には明らかであることに留意されたい。全ての係る変形および修正は、本明細書において添付の特許請求の範囲に記載されるような本発明の範囲内に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】電子放出器用の集束電子レンズの平面図である。
【図１Ｂ】Ｉ−Ｉに沿って見た図１Ａに示される集束電子レンズの断面図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態を含む集束電子レンズの平面図である。
【図２Ｂ】II−IIに沿って見た図２Ａに示される集束電子レンズの断面図である。
【図３】動作中の図２Ａに示された集束電子レンズと、典型的な等電位表面とを示す図である。
【図４】フラット放出器陰極を用いる本発明の第１の実施形態の図である。
【図５】複数のスピント先端電子放出器を用いる本発明の第２の実施形態の図である。
【図６】ディスプレイ装置において用いられる本発明の第３の実施形態の図である。
【図７】ディスプレイ装置において用いられる本発明の第４の実施形態の図である。
【図８】大容量記憶装置において用いられる本発明の第５の実施形態の図である。
【図９】大容量記憶装置において用いられる本発明の第６の実施形態の図である。
【図１０】本発明の実施形態を含むデバイスを備える電子装置のブロック図である。
【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004535657.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】平成15年8月26日(2003.8.26)
【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】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
陽極（３０）上に集束される電子ビームを生成するための電界放出デバイスであって、
少なくとも１つの電子放出器（２０）を有する陰極層（１０）と、
集束レンズ（３８）とを含み、その集束レンズが、
前記陰極層（１０）上に配置されたレンズ層（３６）と、および
前記レンズ層（３６）と前記陽極（３０）との間に配置されたシールド層（３２）とを含み、前記シールド層（３２）と前記陽極（３０）が実質的に等しい電位にあり、前記レンズ層（３６）と前記陽極（３０）との間の静電引力が低減される、電界放出デバイス。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
長年、受像（ＴＶ）管およびコンピュータモニタのような消費者製品において、電子ビーム技術が提供されている。これらの装置は、画面に誘導され、集束される電子の電子源を生成するために、熱陰極の電極として知られるものを利用する。多数の新たな技術分野において研究が行われてきたが、スピント先端放出器およびフラット放出器のような冷陰極電子放出器の分野が、多数の製造業者の注目を集めている。この冷陰極技術を製品に転用する際にいくつかの問題がある。１つのそのような問題は、大容量記憶装置およびディスプレイ装置の場合のように高密度の放出デバイスを必要とする複数の応用形態において用いることができる電子集束構造を生み出すことである。一般的に、これらの応用形態は、電子発生源（一般的に陰極と呼ばれる）と媒体または表示面（一般的に陽極と呼ばれる）との間に高い電位差を必要とする。しかしながら、コンパクトな装置を作成する場合、陽極と陰極とはごくわずかな距離しか離隔されないであろう。この短い距離によって、陰極源から陽極上に電子をむらなく厳格に集束するのを達成することが難しくなる。むらなく厳格に集束することが達成可能である場合、ビット距離が小さくなるという理由から、より高い記憶密度が可能になる。陽極および陰極は高い電位差に保持されるので、高い電位によって生成される静電力が、それらの間に引力を生成する。この引力は、特に大容量記憶装置の媒体表面のような、この力に打ち勝たなければならない可動構成要素を用いる場合に、さらなる問題を生み出す。実際には、媒体表面を制御するモータはさらなる電力を消費する必要があるので、ポータブル製品の電池寿命に影響を及ぼす。ディスプレイ装置では、この望ましくない力は、望ましくない撓みまたはねじり応力を生み出す可能性がある。この望ましくない引力が低減または除去されなければ、冷陰極電子放出技術を利用することが先延ばしされる可能性もある。したがって、陽極と陰極構造との間の引力を最小限に抑えると同時に、製造工程のばらつきに対する許容誤差も維持する新たなレンズ構造が必要とされている。
Okamatoによる米国特許第５，８５０，１２０号は、レンズ層およびレンズ層と陽極との間に配置される第３の層を有する放出器を説明する。第３の層の目的は、陰極から放出される電子ビームの広がりを最小限に抑え、ゲート電流を減らすことである。
【国際調査報告】
2004535657.tif 000031
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