(57)【要約】【課題】小型化されたＸ線源の提供【解決手段】  真空外囲器５内に配置され、電界をかけることで電子を出射する電界放出型電子源６と、前記電子の入射によりＸ線を出射する陽極７とを備えたＸ線源２において、電界放出型電子源６は、支持基板６１と、金属酸化物からなる半導体層６３ａと絶縁体層６３ｂとが交互に積層されてなるドリフト層６３と、を備えており、陽極７は、電界放出型電子源６の電子出射方向に備えられ、発生したＸ線を透過させて出射することを特徴とする。【選択図】図１
2007095628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空外囲器内に配置され、電界をかけることで電子を出射する電界放出型電子源と、前記電子の入射によりＸ線を出射する陽極とを備えたＸ線源において、
前記電界放出型電子源は、支持基板と、金属酸化物からなる半導体層と絶縁体層とが交互に積層されてなるドリフト層と、を備えており、
前記陽極は、前記電界放出型電子源の電子出射方向に備えられ、発生したＸ線を透過させて出射することを特徴とするＸ線源。
【請求項２】
前記電界放出型電子源は、前記ドリフト層の電子出射方向に表面電極を、前記ドリフト層の支持基板方向に下面電極を、備えており、
前記陽極の膜厚は、０．１〜１００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線源。
【請求項３】
前記陽極の膜厚は、１〜１０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項２に記載のＸ線源。
【請求項４】
前記Ｘ線源は、前記ドリフト層の電子出射方向に表面電極として機能する前記陽極を、前記ドリフト層の支持基板方向に下面電極を、備えており、
当該陽極の膜厚は１ｎｍ〜１μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線源。
【請求項５】
前記陽極の膜厚は、１０〜１００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項４に記載のＸ線源。
【請求項６】
前記陽極と前記電界放出型電子源との間で電子を加速する高電圧を印加する高圧電源を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のＸ線源。
【請求項７】
前記半導体層の膜厚が、前記半導体層内における電子の平均自由工程の１／１０００〜５／４の範囲にあり、この半導体層の比誘電率が、前記絶縁体層の比誘電率の１．５〜１００倍の範囲であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のＸ線源。
【請求項８】
前記半導体層の熱伝導率が、０．０５〜１００Ｗ／ｃｍ・Ｋの範囲であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のＸ線源。
【請求項９】
前記半導体層が、酸化亜鉛で構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のＸ線源。
【請求項１０】
前記絶縁体層の主成分が、絶縁性の酸化物、窒化物及び酸窒化物から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のＸ線源。
【請求項１１】
前記絶縁体層の主成分が、酸化珪素、窒化珪素及び酸窒化珪素から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１０に記載のＸ線源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線源に関し、特に電界放出型電子源を有するＸ線源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、Ｘ線を発生するＸ線源としては、陰極に熱電子放出型電子源を用いた熱電子放出型Ｘ線源が利用されており、この熱電子放出型Ｘ線源では、陰極を加熱して、該陰極から出る熱電子を陽極に衝突させて、Ｘ線を発生させている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、熱電子放出型Ｘ線源において、高出力を得るには、電子源自体を大型化する必要が生じ、これに伴い、Ｘ線源が大型化になるとともに、電子の放出密度や放出効率が十分でないという問題があった。また、陰極を加熱する際に、陰極を構成するフィラメントに電流を流すための電源が必要になることや、該フィラメントは熱により消耗しやすいこと、さらには、該フィラメントの消耗に伴い、該フィラメントへ流す最適な電流量の調整を行う必要が生じること、該フィラメントの形状に起因する陽極表面への均一な電子ビームの入射が困難であること等の問題があった。
【０００４】
このため、スピント型と呼ばれる微細表面に電界を集中させることによって電子を放出する冷陰極型の電子源の開発が行われ、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の先端に電界を集中させるタイプの電子源も開発されている。
【０００５】
しかし、前述のように微小先端に電界を集中させる方式の電子源の場合、その製造工程が複雑化すると共に、その先端形状の変化によって電子線の放出能力が変化するという問題があった。
【０００６】
また、近年においては、薄膜積層技術を利用した面状電子源として、金属層と絶縁体層と金属層とを積層させたＭＩＭ型の面状電子源（例えば、特許文献２参照。）や、金属層と絶縁体層と半導体層とを積層させたＭＩＳ型の面状電子源（例えば、特許文献３参照。）が提案されている。
【０００７】
このような面状電子源は、通常２０〜３０ｎｍ程度の超薄膜の絶縁体層に高電界を印加してトンネル電子を放出させるものであり、このため、充分な耐久性が得られるようにするためには、高度な薄膜化技術と耐絶縁性に優れた材料が必要になり、製造プロセスや材料の点において問題があった。
【０００８】
また、他の面状電子源として、弾道電子放出現象という原理に基づく面状電子源が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００９】
この面状電子源では、ナノサイズのシリコン粒子に超薄膜の酸化シリコンを被覆させたものを連結するように配列し、これを一対の電極で挟む構造になっており、この一対の電極に電圧を印加させて、シリコン中をドリフトする電子を弾道電子化させ、この電子を表面の電極から放出させるようになっている。
【００１０】
しかし、前述のナノサイズのシリコン粒子を精度よく製造し、またこれを連結するように適切に配列させることは非常に困難であり、このため、電子放出効率を充分に向上させることも困難になるという問題があった。
【００１１】
さらに、最近においては、ｎ型シリコンからなる支持基板の上に、導電性膜のシリコン膜と絶縁性膜のシリコン酸化膜とを交互に多数積層させた面状の電界放出型電子源が提案されている（例えば、特許文献５参照。）。
【特許文献１】特開２００２−８３５６０号公報
【特許文献２】特開平７−６５７１０号公報
【特許文献３】特開平８−２５０７６６号公報
【特許文献４】特開２０００−１００３１６号公報
【特許文献５】特開２００２−３５２６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述の電界放出型電子源において、電子放出能力を向上させるためには、前述のシリコン膜として、電子の平均自由工程が大きい結晶性の高いシリコン膜を成膜させることが必要になる。
【００１３】
しかし、結晶性の高いシリコン膜を通常の成膜方法で成膜する場合、一般に支持基板の温度を１０００℃程度に高める必要があり、成膜させる支持基板に非常に高い耐熱性が要求されるという問題があった。
【００１４】
また、このような結晶性の高いシリコン膜を得る場合、このシリコン膜の成膜時とシリコン酸化膜の成膜時とにおいて、支持基板の温度が大きく異なるため、前述のように導電性膜のシリコン膜と絶縁性膜のシリコン酸化膜とを交互に多数積層させた場合、シリコン膜とシリコン酸化膜とにおける熱膨張係数の違いにより、シリコン膜とシリコン酸化膜との界面に歪みが生じたり、界面が破壊されたりして、電子放出効率が大きく低下するという問題があった。
【００１５】
一方、支持基板の温度を低くしてシリコン膜を成膜した場合には、このシリコン膜がアモルファス状態となり、前述の弾道電子放出現象において要求される重要な物性値である電子の平均自由工程が極端に短くなり、電子放出能力が著しく低下するとともに、熱伝導効率も低下して、この電界放出型電子源の温度が上昇し、耐久性が悪化するという問題があった。
【００１６】
このように、前述のいずれの電子源を用いたＸ線源にせよ、電子放出効率及び耐久性に優れた電子源が存在せず、また、装置自体が大掛かりなものであった。
【００１７】
本発明の課題は、電子源の電子放出効率及び耐久性を向上させつつ、Ｘ線源の小型化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
真空外囲器内に配置され、電界をかけることで電子を出射する電界放出型電子源と、前記電子の入射によりＸ線を出射する陽極とを備えたＸ線源において、
前記電界放出型電子源は、支持基板と、金属酸化物からなる半導体層と絶縁体層とが交互に積層されてなるドリフト層と、を備えており、
前記陽極は、前記電界放出型電子源の電子出射方向に備えられ、発生したＸ線を透過させて出射することを特徴とする。
【００１９】
請求項１に記載の発明によれば、Ｘ線源は、支持基板及びドリフト層を備える電界放出型電子源と、電界放出型電子源の電子出射方向に備えられた陽極と、を備えており、電界放出型電子源から出射した電子が陽極に衝突し、発生したＸ線は陽極を透過してＸ線源から放射される。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＸ線源において、
前記電界放出型電子源は、前記ドリフト層の電子出射方向に表面電極を、前記ドリフト層の支持基板方向に下面電極を、備えており、
前記陽極の膜厚は、０．１〜１００μｍの範囲であることを特徴とする。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、電界放出型電子源はドリフト層の電子出射方向に表面電極を、ドリフト層の支持基板方向に下面電極を、備え、ドリフト層から表面電極を透過して電子が出射される。発生した電子は、表面電極の電子出射方向に備えられ膜厚が０．１〜１００μｍの陽極に入射して、発生したＸ線が陽極を透過して出射される。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のＸ線源において、
前記陽極の膜厚は、１〜１０μｍの範囲にあることを特徴とする。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、電界放出型電子源はドリフト層の電子出射方向に表面電極を備え、電子を出射させる。出射した電子は、１〜１０μｍの膜厚の陽極に入射して高い発生効率及び透過効率でＸ線が出力される。
【００２４】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のＸ線源において、
前記Ｘ線源は、前記ドリフト層の電子出射方向に表面電極として機能する前記陽極を、前記ドリフト層の支持基板方向に下面電極を、備えており、
当該陽極の膜厚は１ｎｍ〜１μｍの範囲であることを特徴とする。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、電界放出型電子源はドリフト層の電子出射方向に表面電極として機能する陽極を、ドリフト層の支持基板方向に下面電極を、備え、下面電極と陽極との間に電圧を印加することによりドリフト層から電子を出射させる。出射した電子は、ドリフト層の電子出射方向に備えられた１ｎｍ〜１μｍの膜厚の陽極に入射してＸ線が出射される。
【００２６】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のＸ線源において、
前記陽極の膜厚は、１０〜１００ｎｍの範囲にあることを特徴とする。
【００２７】
請求項５に記載の発明によれば、下面電極と陽極との間に電圧を印加することにより電界放出型電子源のドリフト層から電子を出射させる。出射した電子は、１０〜１００ｎｍの膜厚の陽極に入射して高い発生効率及び透過効率でＸ線が出射される。
【００２８】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載のＸ線源において、
前記陽極と前記電界放出型電子源との間で電子を加速する高電圧を印加する高圧電源を備えることを特徴とする。
【００２９】
請求項６に記載の発明によれば、高電圧を印加して、陽極と電界放出型電子源との間で電子を加速することができる。
【００３０】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＸ線源において、
前記半導体層の膜厚が、前記半導体層内における電子の平均自由工程の１／１０００〜５／４の範囲にあり、この半導体層の比誘電率が、前記絶縁体層の比誘電率の１．５〜１００倍の範囲であることを特徴とする。
【００３１】
請求項７に記載の発明によれば、前述のように半導体層と絶縁体層の比誘電率を設定した状態で、一対の電極に電圧を印加することにより、一方の電極から注入された電子が半導体層で散乱を受けることなく、また絶縁体層では十分な電界により加速されて電子を弾道化させることができる。
【００３２】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＸ線源において、
前記半導体層の熱伝導率が、０．０５〜１００Ｗ／ｃｍ・Ｋの範囲であることを特徴とする。
【００３３】
請求項８に記載の発明によれば、前述のように半導体層の熱伝導率を設定した状態で、一対の電極に電圧を印加して電子を放出させた場合には、十分な熱放射が行われ、電界放出型電子源の温度が上昇するのを抑制することができる。
【００３４】
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載のＸ線源において、
前記半導体層が、酸化亜鉛で構成されていることを特徴とする。
【００３５】
請求項９に記載の発明によれば、半導体層に酸化亜鉛を使用すると、より低温で結晶化されるとともに、各種の支持基板上において、ｃ軸方向への配向性を高くさせ、電界放出型電子源の電子放出能力を向上させることができる。また、このような電子放出能力のよい電界放出型電子源をさらに安定して製造することができる。
【００３６】
請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載のＸ線源において、
前記絶縁体層の主成分が、絶縁性の酸化物、窒化物及び酸窒化物から選択される少なくとも１種であることを特徴とする。
【００３７】
請求項１０に記載の発明によれば、特に絶縁体層の主成分に前述の化合物を用いることで、絶縁体層の耐久性を向上させることができる。
【００３８】
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載のＸ線源において、
前記絶縁体層の主成分が、酸化珪素、窒化珪素及び酸窒化珪素から選択される少なくとも１種であることを特徴とする。
【００３９】
請求項１１に記載の発明によれば、特に絶縁体層の主成分に前述の化合物を用いることで、絶縁体層を形成する際に、従来の半導体製造プロセスを利用することができ、電界放出型電子源を容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００４０】
請求項１に記載の発明によれば、電界放出型電子源から放出された電子は、直進して陽極に衝突するので、陽極−陰極間に電圧を印加する必要が無く、Ｘ線源の小型化が可能である。
また、陽極を回転陽極のように回転させる必要が無いので、従来のように陽極の回転機構を備える必要が無く、Ｘ線源の小型化が可能である。
また、電界放出型電子源は熱電子放出型電子源のようにフィラメント用の電源を配設させて加熱させる必要もなく、Ｘ線源をより小型化させることができる。
また、電界放出型電子源は、結晶性の金属酸化物からなる半導体層を積層させるので、シリコン膜を積層させる場合に比べて結晶化する温度を低くすることが可能であり、製造が容易である。
また、半導体層と絶縁体層とを交互に積層させる際の支持基板の温度差を小さくすることが可能であり、半導体層と絶縁体層との界面の歪みの発生や界面の破壊を防止して、電子放出効率の低下を防止することができる。
また、半導体層に用いる金属酸化物は、結晶格子内にイオン性結合を有するため、共有結合のシリコンに比べてフレキシブルであり、曲面化させる場合などに有利である。
【００４１】
請求項２又は３に記載の発明によれば、所定の膜厚の陽極を備えるので、入射電子に対する出力Ｘ線の発生効率が高く、かつ出力Ｘ線の透過効率も高いので、電子の入射方向の反対側に向けて高い強度のＸ線を出力することが可能である。また、陽極の膜厚を従来より薄くすることにより、電子と陽極の金属原子との衝突により発生した二次電子を外側に排出することが可能であり、陽極と二次電子の衝突による陽極内での発熱が回避され、冷却手段を用いずに陽極の発熱を抑え、Ｘ線源の小型化が可能である。
【００４２】
請求項４又は５に記載の発明によれば、所定の膜厚の陽極を備えるので、入射電子に対する出力Ｘ線の発生効率が高く、かつ出力Ｘ線の透過効率も高いので、電子の入射方向の反対側に向けて高い強度のＸ線を出力することが可能である。また、陽極の膜厚を従来より薄くすることにより、十分に熱放射させ、冷却手段を用いずに陽極の発熱を抑え、Ｘ線源の小型化が可能である。さらに、陽極により電圧を印加させて電極として機能させることもできる。さらに、陽極は、電界放出型電子源に電圧を印加する表面電極としても機能するので、より簡易な構成で、電子の放出と陽極に向けての電子の加速とを行わせることができる。
【００４３】
請求項６に記載の発明によれば、高エネルギーに電子を加速させて、電子を陽極に衝突させることにより、電界放出型電子源の電子放出効率を向上させることができ、Ｘ線源のＸ線出力効率を向上させることができる。また、高エネルギーのＸ線が得られる。
【００４４】
請求項７に記載の発明によれば、Ｘ線源の電子放出効率を向上させることができる。
【００４５】
請求項８に記載の発明によれば、電界放出型電子源の耐久性を向上させることができるとともに、電界放出型電子源が発生する熱によりＸ線源を構成する他の部材への影響を防ぐことができ、Ｘ線源自体の耐久性を向上させることができる。
【００４６】
請求項９に記載の発明によれば、Ｘ線源の電子放出効率を向上させることができる。
【００４７】
請求項１０に記載の発明によれば、Ｘ線源の耐久性を向上させることができる。
【００４８】
請求項１１に記載の発明によれば、電界放出型電子源を容易に製造でき、Ｘ線源を容易に製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲を図示例に限定するものではない。
【００５０】
図１に示すように、本実施形態のＸ線源２には、絶縁物あるいは一部に金属部分を有する絶縁物で構成されている真空外囲器５が備えられている。真空外囲器５の内部は真空度が高い状態に保たれており、その内部には、電圧を印加することで電子を出射する電界放出型電子源６と、前記電子の入射によりＸ線を出射する陽極７と、が備えられている。また、真空外囲器５のＸ線の出射される方向には、Ｘ線が通過する開口部としてのＸ線出力窓８が設けられている。
【００５１】
図２に示すように、電界放出型電子源６には、平板状の支持基板６１が備えられている。支持基板６１の上面には、電界放出型電子源６に電圧Ｖｅを印加する電源の負極に接続された下面電極６２が備えられている。電圧Ｖｅは、通常１０〜１００Ｖである。下面電極６２の上面には、半導体層６３ａと絶縁体層６３ｂとが交互に繰り返されて所定の層数になるように積層されたドリフト層６３が形成されている。なお、ドリフト層６３の所定の層数とは、通常１０〜１００層である。ドリフト層６３の上面には、電源の正極に接続された平板状の表面電極６４が設けられている。
【００５２】
支持基板６１としては、例えば、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、石英、シリコンウェハ等の従来から電子デバイスに使用されている硬質の材料で構成されたものを用いることができ、またフレキシブルなプラスチックで構成されたものを用いることも可能である。また、前述のプラスチック材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）、セルロースアセテートプロピオネート（ＣＡＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）等を用いることができ、またこれらのプラスチック材料で構成された基板の特性を高めるために、その表面に公知の表面コートや表面処理を行ったものを用いることが好ましい。
【００５３】
下面電極６２の材料としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔａ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ等の低抵抗の金属を用いることが好ましく、また支持基板６１にシリコンウェハを用いる場合には、シリコンに高濃度のドーピング処理を行って低抵抗化したものを用いることもできる。さらに支持基板６１に光学的に透明な材料を用い、支持基板６１側においても光学的な特性を持つようにする場合には、下面電極６２の材料として錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）やＳｎＯ２等の透明電極材料や、ポリスチレンスルホン酸ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）のような導電性高分子材料を用いることができる。なお、下面電極６２の厚みについては特に制限はなく、透明性を要求しない場合には、電極抵抗や膜強度や加工性を考慮して適宜設定することができ、また透明性が必要とされる場合には、前述の他に光透過率を考慮して適宜設定することができる。
【００５４】
また、下面電極６２を支持基板６１の上に形成するにあたっては、真空蒸着法やスパッタリング法等の物理的気相成長法の他に、スピンコート法やロールコート法等の塗布法を用いることができる。
【００５５】
表面電極６４の材料としては、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｒｕ、Ｉｒ等の金属が有効であるが、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ等を用いることも可能であり、またこれらの合金であってもよい。さらに、導電性を示すものであれば、前述の金属材料の酸化物、例えば、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ等の透明性の高い導電性材料や、これらの複合酸化物や、ポリスチレンスルホン酸ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）のような導電性高分子材料を用いることもできる。そして、下面電極６２及び表面電極６４に光学的に透明な材料を用いると、光透過率の高い電界放出型電子源が得られるようになる。
【００５６】
表面電極６４から電子を効率よく放出させるためには、表面電極６４の材料として仕事関数が小さいものを用いることが好ましく、またその厚みは薄いほどよく、安定性の面からＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ若しくはこれら金属の合金などが挙げられる。また、表面電極６４の厚みは薄いほど電子の発生効率が高く、その厚みを１〜５０ｎｍの範囲にすることが好ましい。
【００５７】
また、表面電極６４をドリフト層６３の上面に形成するにあたっては、従来から用いられている薄膜形成方法を用いることができるが、ドリフト層６３にダメージを与えないようにして形成することが好ましく、ダメージの少ないスパッタリング法である対向ターゲット式のスパッタ法や、スプレーコーティング法、プラズマＣＶＤ法を用いることができる。
【００５８】
半導体層６３ａの材料としては、酸化物半導体である酸化亜鉛ＺｎＯ、酸化チタンＴｉＯ２、酸化インジウムＩｎ２Ｏ３、酸化錫ＳｎＯ２、酸化カドミウムＣｄＯ、酸化タングステンＷ２Ｏ５、酸化ニオブＮｂ２Ｏ５、酸化ニッケルＮｉＯ、チタン酸ストロンチウムＳｒＴｉＯ３等を用いることができ、特に室温付近で容易にｃ軸配向結晶が得られると共に、大気圧下でのプラズマ処理によって欠陥の少ない良質な薄膜が形成される酸化亜鉛ＺｎＯを用いることが好ましい。
【００５９】
半導体層６３ａの厚みについては、その厚みが厚くなりすぎると、半導体層６３ａに注入された電子が半導体層６３ａ内において衝突して散乱し、電子放出効率が低下する一方、その厚みが薄くなりすぎると、欠陥がないようにして均一な膜厚の半導体層６３ａを形成することが困難になるため、半導体層６３ａの厚みを、半導体層６３ａ内における電子の平均自由工程の１／１０００〜５／４の範囲にすることが好ましい。
【００６０】
絶縁体層６３ｂの材料としては、種々の絶縁物を用いることができ、特に比誘電率の低い無機の酸化物や窒化物や酸窒化物を用いることが好ましい。ここで、前述の酸化物としては、例えば、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化バナジウム等を用いることができる。特に、低誘電率であり、一般に広く用いられている半導体製造技術で製造できる酸化珪素、フッ素化酸化シリコン、カーボン含有酸化シリコンＳｉＯＣを用いることが好ましく、また同様の理由で、窒化物として窒化珪素を、酸窒化物としては酸窒化シリコンを用いることが好ましい。
【００６１】
絶縁体層６３ｂの厚みについては、半導体層６３ａを通過した電子がトンネリングできる程度に薄く設定するようにし、一般的に０．５〜１０ｎｍの範囲内になるようにする。
【００６２】
ドリフト層６３を形成するにあたっては、大気圧若しくは大気圧近傍の圧力下において放電を開始し、プラズマ中に導入された反応性ガスを励起（解離、再結合若しくはイオン化）させた後、これを基板上において化学反応させて成膜させるようにする。なお、大気圧若しくはその近傍の圧力とは２０〜１１０ｋＰａ程度であり、好ましくは９３〜１０４ｋＰａ程度である。
【００６３】
ここで、前述のように大気圧下においてプラズマ処理してドリフト層６３を形成する装置としては、図３に示すような容量結合型のプラズマ処理装置３０を用いることができる。
【００６４】
このプラズマ処理装置３０においては、複数の上部電極３１が備えられており、この上部電極３１の下方には、相対的に平行移動できるように形成された平板状の下部電極３２が適当な間隙を有するように配設されている。そして、プラズマ処理装置３０を使用する際には、下部電極３２の上に基材３３をセットし、基材３３がセットされた下部電極３２を平行に往復移動させるようになっている。
【００６５】
また、プラズマ処理装置３０には、ガス供給装置３４が設けられており、各上部電極の間に形成されたガス流路３５を通して、ガス供給装置３４からガスを下部電極３２と上部電極３１との間を導くようになっている。
【００６６】
また、下部電極３２及び上部電極３１には、それぞれ第１電源３６及び第２電源３７が接続されており、下部電極３２に第１電源３６から第１高周波電圧を印加させるとともに、各上部電極３１に第２電源３７から第２高周波電圧を印加させて、下部電極３２と上部電極３１との間におけるガスを励起させるようになっている。そして、この励起されたガスを基材３３の表面に接触させて、この基材３３の表面にガスに由来する薄膜を形成させるようになっている。
【００６７】
ここで、プラズマ処理装置３０を用いて、前述の半導体層６３ａと絶縁体層６３ｂとを交互に積層させてドリフト層６３を形成する際には、第１電源３６から下部電極３２に印加させる第１高周波電圧と、第２電源３７から各上部電極３１に印加させる第２高周波電圧との周波数や電圧を異ならせて、第１及び第２の２種類の高周波電界を独立して制御させることが好ましい。このようにすると、大気圧若しくはその近傍の圧力条件において、安定した放電が行えるようになると共に、欠陥が少なく且つ結晶性の高い薄膜からなる半導体層６３ａと、緻密で絶縁性の高い薄膜からなる絶縁体層６３ｂとを連続して交互に形成できるようになる。
【００６８】
また、下部電極３２と上部電極３１との間隙寸法については、支持基板６１の厚みや、下部電極３２及び上部電極３１に印加させる高周波電圧の大きさや、半導体層６３ａや絶縁体層６３ｂの種類等を考慮して決定するようにし、均一な放電を維持するという観点からは０．５〜２０ｍｍの範囲にすることが好ましく、より好ましくは１ｍｍ±０．５ｍｍの範囲に設定される。
【００６９】
また、下部電極３２や上部電極３１に印加させる高周波電圧としては．大気圧若しくはその近傍の圧力条件において下部電極３２と上部電極３１との間におけるガスを励起させてプラズマを発生させ、緻密で膜厚が均一な層が形成されるようにするため、周波数が１００ｋＨｚ以上の高周波電圧で、１Ｗ／ｃｍ２以上の電力を供給させることが好ましい。
【００７０】
また、支持基板６１上に形成された下面電極６２の上に、前述のようにして半導体層６３ａと絶縁体層６３ｂとを交互に積層させてドリフト層６３を形成するにあたり、プラズマ処理時における支持基板６１の温度が高くなると、半導体層６３ａや絶縁体層６３ｂと支持基板６１との熱膨張係数の違いによる熱応力が残留し、これらの密着性等の特性が悪化して、電子放出効率が低下するため、プラズマ処理時における支持基板６１の温度を常温〜３００℃の範囲にすることが好ましい。
【００７１】
また下部電極３２と上部電極３１との間に導くガスの種類については、形成する半導体層６３ａや絶縁体層６３ｂによって異なるが、基本的には、放電を行うための雰囲気ガスと、半導体層６３ａや絶縁体層６３ｂを形成する原料となる薄膜形成用ガスとを混合させたガスを用いるようにし、このガス全体中における薄膜形成用ガスの体積比率を０．０１〜１０体積％の範囲にすることが、放電を良好に維持する点から好ましい。
【００７２】
ここで、前述の雰囲気のガスとしては、例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン等の希ガスを用いることができ、特に、生産コストを低減させる点からはアルゴンを用いることが好ましく、また前述の希ガスに代えて、例えば、酸素、窒素、二酸化炭素、水素等を利用することもできるが、コスト及び環境面の点からは窒素を使用することが好ましい。
【００７３】
また、半導体層６３ａ及び絶縁体層６３ｂを形成するのに使用する薄膜形成用ガスとしては、例えば、有機金属化合物、ハロゲン金属化合物、金属水素化合物等を用いることができ、取り扱いの問題からは、爆発の危険性の少ない有機金属化合物を用いることが好ましく、特に、分子内に少なくとも一つ以上の酸素を有する有機金属化合物が好ましい。
【００７４】
そして、半導体層６３ａを形成するのに使用する有機金属化合物としては、一般式Ｒ１ｘＭＲ２ｙＲ３ｚ（式中、Ｍは金属、Ｒ１はアルキル基、Ｒ２はアルコキシ基、Ｒ３はβ−ジケトン錯体基、β−ケトカルボン酸エステル錯体基、β−ケトカルボン酸錯体基、ケトオキシ基、ケトオキシ錯体基から選択される基であり、前述の金属Ｍの価数をｍとした場合、ｘ+ｙ+ｚ＝ｍであり、ｘ、ｙ、ｚはいずれも０または正の整数である。）で表されるものを用いることができる。また、前述のＲ１のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等を挙げることができる。また、前述のＲ２のアルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、３，３，３−トリフルオロプロポキシ基等を挙げることができ、アルキル基の水素原子をフッ素原子に置換したものでもよい。また、前述のＲ３のβ−ジケトン錯体基としては、例えば、２，４−ペンタンジオン（アセチルアセトン或いはアセトアセトンともいう。）、１，１，１，５，５，５−ヘキサメチル−２、４−ペンタンジオン、２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオン、１，１，１−トリフルオロ−２、４−ペンタンジオン等をあげることができ、β−ケトカルボン酸エステル錯体基としては、例えば、アセト酢酸メチルエステル、アセト酢酸エチルエステル、アセト酢酸プロピルエステル、トリメチルアセト酢酸エチル、トリフルオロアセト酢酸メチル等を挙げることができ、また、β−ケトカルボン酸としては、例えば、アセト酢酸、トリメチルアセト酢酸などを挙げることができ、またケトオキシ基としては、例えば、アセトオキシ基、プロピオニルオキシ基、ブチリロキシ基、アクリロイルオキシ基、メタクリロイルオキシ基等を挙げることができる。また、前述のケトオキシ基の炭素原子数は前述の有機金属化合物を含んで１８以下が好ましい。また、これらの基は直鎖又は分岐の何れであってもよく、また水素原子をフッ素原子に置換したものであってもよい。
【００７５】
ここで、酸化亜鉛からなる半導体層６３ａを形成するのに使用する薄膜形成用ガスとしては、例えば、ビス（２、４−ペンタンジオナート）亜鉛、亜鉛アセチルアセトナート、ジエチル亜鉛、ジメチル亜鉛等を用いることができる。
【００７６】
また、酸化錫からなる半導体層６３ａを形成するのに使用する薄膜形成用ガスとしては、例えば、ジブチル錫ジアセテート、エトラエチル錫、エトラメチル錫、二酢酸ジ−ｎ−ブチル錫、テトラブチル錫、テトラオクチル錫を用いることができる。
【００７７】
また、酸化チタンからなる半導体層６３ａを形成するのに使用する薄膜形成用ガスとしては、例えば、テトラエトキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラブトキシチタンのような金属アルコキシドを用いることができる。
【００７８】
一方、絶縁体層６３ｂを形成するのに使用する薄膜形成用ガスの有機金属化合物としては、例えば、テトラエチルシラン、テトラメチルシラン、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）、トリメトキシシラン（ＴＭＳ）、トリメチルシラン（４ＭＳ）、ヘキサメチルジシラン等を用いることができる。
【００７９】
また、前述の雰囲気ガスと薄膜形成用ガスとの他に、薄膜形成の反応を促進する反応促進ガスを添加させることも可能であり、このような反応促進ガスとしては、例えば、酸素、オゾン、過酸化水素、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、アンモニア等を挙げることができ、その中でも、酸素、一酸化炭素及び水素を用いると、安定した放電が得られる電力範囲が広くなり、反応促進と膜の緻密性を向上させるのに有利である点から好ましい。また、このような反応促進ガスの添加量は、ガス全量に対して０．０１〜５体積％の範囲にすることが好ましく、これにより薄膜形成の反応が促進されると共に、緻密で良質な薄膜を形成できるようになる。
【００８０】
このようにして形成したドリフト層６３を備える電界放出型電子源６の上面側には、入射した電子に応じてＸ線を出射する陽極７が備えられている。ここで、電界放出型電子源６と陽極７は、図４に示すように接触した状態で配置させても良く、図２に示すように間隙を設けて配置させても良い。
【００８１】
本実施形態における陽極７は、電子の入射によりＸ線を発生させるターゲット層７１である。ターゲット層７１は、主成分として、例えば、モリブデン、ロジウム、タングステン、銀、銅等の金属元素の中から適宜選択して形成されており、必要に応じてこれら金属元素に他の金属元素が含有されている。中でも、モリブデン、ロジウム、タングステンを含有させるのが好ましく、一般撮影に用いる場合はタングステン、乳房画像撮影に用いる場合はモリブデンまたはロジウムがより好ましい。ターゲット層７１は、これらの金属元素が混在してなる層として形成されているが、各金属元素からなる層が積層してなる層として形成されていてもよい。また、ターゲット層７１の膜厚は、Ｘ線の主力効率や透過効率の観点から０．１〜１００μｍが好ましく、１〜１０μｍがより好ましい。
【００８２】
次に、Ｘ線源２によるＸ線放射について説明する。
【００８３】
まず、真空外囲器５の内部の真空度が高い状態で、電源により電圧Ｖｅを印加させる。すると、下面電極６２からドリフト層６３に電子が注入され、下面電極６２と表面電極６４との間に作用する電圧Ｖｅにより当該電子がドリフトされる。当該電子が表面電極６４に到達すると、表面電極６４の上面に備えられた陽極７に入射される。
【００８４】
ここで、発生した電子はドリフト層６３において電圧Ｖｅを印加され、表面電極６４に向けて加速される。本実施形態においては、表面電極６４のすぐ上方に陽極７が設けられているので、電界放出型電子源６で発生された電子は電圧Ｖｅにより加速され、その勢いで陽極７のターゲット層７１に衝突する。電子がターゲット層７１の金属に衝突するとＸ線が発生し、発生したＸ線は陽極７を透過して上方に向けて放射される。放射されたＸ線は真空外囲器５のＸ線出力窓８を通過して、外部に向けて出射される。
【００８５】
このようにターゲット層７１は通常の陽極より薄い所定の膜厚で形成されており、かつ電界放出型電子源６の上面側に備えられているので、ターゲット層７１で発生したＸ線は陽極７を透過して上方に向けて放射される。従って、図４に示すように電界放出型電子源６と陽極７を接触した状態で配置させた場合、電界放出型電子源６で発生した電子が効率良く陽極７であるターゲット層７１に入射するので、Ｘ線出力効率を向上させることができる。
【００８６】
以上のように、本実施形態のＸ線源２によれば、電界放出型電子源６の上方にターゲット層７１を設けており、電界放出型電子源６の上方に向けて加速した電子を出射させるので、陰極−陽極間に電圧を印加させる必要が無く、Ｘ線源２自体の小型化が可能である。また、熱電子放出型電子源のようにフィラメント加熱手段を設ける必要が無く、Ｘ線源２の小型化や耐久性の向上が可能である。さらに、従来より薄く形成した陽極７を用いるので、電子とターゲット層７１の金属との衝突により発生した二次電子が陽極外に放出されることにより、陽極７と二次電子の衝突による陽極内での発熱を抑えることができる。そのため、陽極７を冷却する手段を備える必要が無く、Ｘ線源２の小型化及び簡略化が可能である。さらにまた、陽極７はその位置を固定されており、従来の回転陽極を備えるＸ線源のように陽極の回転機構を備える必要が無く、Ｘ線源２の小型化及び簡略化が可能である。
【００８７】
また、Ｘ線源２は電子放出能力及び耐久性が高い電界放出型電子源６を備えているので、高出力及び耐久性の向上が可能である。これにより、医療現場などにおいては、短時間の撮影が可能となり、被照射物が動くことで生じる画像のボケの発生を防いで、診断性能を向上させることができる。また、画像のボケによる再撮影をなくすことができるので、患者の不要な被曝を確実に防ぐことができる。
【００８８】
また、ドリフト層６３は、支持基板６１の上に結晶性の金属酸化物で形成された半導体層６３ａを備えており、従来のシリコンで半導体層６３ａを形成させる場合に比べ、結晶化を行う温度を低くすることができ、電子放出能力を高めている。
【００８９】
また、半導体層６３ａを形成させる際に、支持基板６１の温度差を少なくすることができるので、半導体層６３ａと絶縁体層６３ｂとの界面に歪みを生じさせたり、界面が破壊されたドリフト層６３となるのを防止して、ドリフト層６３の異常による電子放出効率が低下するのを防止している。
【００９０】
また、半導体層６３ａに用いる前述の金属酸化物は、結晶格子内にイオン性結合を有するため、共有結合のシリコンに比べてフレキシブルであり、曲面化させる場合等に有利にさせる。
【００９１】
また、前述のように半導体層６３ａと絶縁体層６３ｂの比誘電率を設定した状態で、一対の電極に電圧を印加することにより、一方の電極から注入された電子が半導体層６３ａで散乱を受けることなく、また絶縁体層６３ｂでは十分な電界により加速されて電子を弾道化させており、電子放出効率を向上させている。
【００９２】
また、前述のように半導体層６３ａの熱伝導率を設定した状態で、一対の電極に電圧を印加して電子を放出させた場合には、十分な熱放射を行わせることができる。その結果、電界放出型電子源６の温度が上昇するのを抑制して、電界放出型電子源６の耐久性を向上させるとともに、電界放出型電子源６が発生する熱によりＸ線源２を構成する他の部材への影響を防いで、Ｘ線源２自体の耐久性を向上させることができる。
【００９３】
また、半導体層６３ａに酸化亜鉛を使用すると、より低温で結晶化されるとともに、各種の支持基板６１上において、ｃ軸方向への配向性を向上させ、電子放出効率を向上させる。なお、これより電子放出能力のよい電界放出型電子源６及びＸ線源２をさらに安定して製造することができる。
【００９４】
また、絶縁体層６３ｂの主成分が、絶縁性の酸化物、窒化物及び酸窒化物から選択される少なくとも１種であるので、絶縁体層６３ｂの耐久性を向上させており、これを用いた電界放出型電子源６及びＸ線源２の耐久性を向上させている。特に、酸化珪素、窒化珪素、酸窒化珪素から選択される少なくとも１種を用いると、従来の半導体製造プロセスを利用して電界放出型電子源６を容易に製造することができ、これを用いたＸ線源２を容易に製造できる。
【００９５】
なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。
【００９６】
ここで、本実施形態においては、電界放出型電子源６と陽極７の間には電圧を印加させずに、電界放出型電子源６で発生した電子はドリフト層６３で加速され、その勢いで陽極７に衝突させるものとするが、図５に示すように、電界放出型電子源６と陽極７の間に電圧を印加させることとしてもよい。電界放出型電子源６と陽極７に電圧Ｖａを印加する電源を接続させ、電界放出型電子源６と陽極７の間に電圧Ｖａを印加させることにより、電界放出型電子源６で発生した電子にエネルギーが付与され、陽極７に衝突することにより高エネルギーのＸ線が容易に放射される。なお、電圧Ｖａは高電圧であり、１０〜２００ｋＶが好ましい。
このように、電界放出型電子源６と陽極７との間に電圧を印加させることにより、Ｘ線源２は高エネルギーのＸ線を容易に放射するので、人体撮影などに必要な高エネルギーのＸ線放射が可能である。従来のＸ線源では、高エネルギーのＸ線を放射させるためには多量の電子を高速で陽極に衝突させる必要があったため、陽極の発熱による弊害が発生したり装置が複雑化していたが、本実施形態のＸ線源２によれば、このような弊害を引き起こすことなく高エネルギーのＸ線を放射することができる。
【００９７】
また、本実施形態においては、表面電極６４の上面側に陽極７を備えることとしたが、図６に示すように、表面電極６４としても機能する陽極７をドリフト層６３の上面に備えることとしても良い。その場合、陽極７に電圧Ｖｅを印加する電源の正極が接続され、当該電源の負極は下面電極６２に接続される。そして、陽極７と下面電極６２の間に挟まれたドリフト層６３に電圧Ｖｅが印加されると、ドリフト層６３から陽極７に向けて電子が加速して出射される。従って、図６に示すように電圧Ｖｅを印加することにより、ドリフト層６３での電子の発生と、ドリフト層６３から陽極７に向けての電子の加速と、を行わせることができる。このように電圧Ｖｅの電極として機能させるためには、陽極７の膜厚は、Ｘ線の出力効率や透過効率の観点から１ｎｍ〜１μｍが好ましく、１０〜１００ｎｍがより好ましい。
【００９８】
また、この他、ドリフト層６３を例えば１００〜１００００層にするなど、ドリフト層の層数を増やす構成としてもよいし、ドリフト層６３の下面電極６２と表面電極６４との間の電圧（電圧Ｖｅ）を１００〜２００Ｖにするなど、電圧Ｖｅを高くする構成としてもよい。また、ドリフト層６３の表面電極６４の露出面に逆スパッタ防止用の表面保護膜を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本実施形態のＸ線源の概略構成図である。
【図２】本実施形態の電界放出型電子源の概略構成図である。
【図３】電界放出型電子源の製造の際に使用する容量結合型のプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図４】電界放出型電子源の他の一例を示す概略構成図である。
【図５】電界放出型電子源の他の一例を示す概略構成図である。
【図６】電界放出型電子源の他の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【０１００】
２     Ｘ線源
５     真空外囲器
６     電界放出型電子源
６１   支持基板
６２   下面電極
６３   ドリフト層
６３ａ 半導体層
６３ｂ 絶縁体層
６４   表面電極
７     陽極
７１   ターゲット層
【図１】
2007095628.tif 000003
【図２】
2007095628.tif 000004
【図３】
2007095628.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007095628.tif 000007
【図６】
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