TW566060B - Compact multispectral X-ray source - Google Patents

Description

566060 ⑴ 魏、鼙明說明 (發明說明應敘明.發明所屬之技術領域、先前技術、内容'實施方式及圖式簡單說明) 發明背景 發明領域

本發明有關X輻射源領域。更特定言之，本發明有關X 輻射源，其包含··陽極層、電子源層以及形成X輻射源的 程序。 相關技藝說明 X輻射廣為所知，用途廣泛，例如，應用於材料偵測、化 學結構分析以及醫學治療。用放射性材料或通過模擬其它 材料放射，產生X輻射，或者X光。對於手持式裝置，或者 要求非常小的X光源的裝置，常常使用放射性材料。然而， 放射性材料具有許多缺陷，包括處理困難、不易控制輻射 強度、成本高以及不能控制X光光譜。但是，小型模擬又光 源產品可以排除這些問題。 因此，X光源使用單個金屬發射體尖端，採用場發射產生 電子。但是，由於是單個發射尖端，因此，本設計的一光 源將不能產生足夠的實際商業應用中所需要的又光能量或 強度。另外，對許多材料分析應用來說，尤其對於需要在 人體器官中操作該源的醫療裝置來說，此類X光源的尺寸過 大。使用鉬尖端的一閘極陣列可以產生較高的電子電流， 因此能減少該單個尖端設計的一些問題。然而，金屬尖端 發射均勻度低，並且比低功函數材料形成的尖端的尖端損 失大。沒有設計允許輕易更改該X光光譜。 使用以碳為主的場發射尖端，可以提供比金屬尖端好的 (2)566060

發射均勻度和設備❿，目前以 的X夯外偌 的材料製成 一叹，一般不能從該X光源產生多光譜X光發射，或 者瞬時變化的波長。目冑’以碳為主的設備還需要複雜、 費用兩的製造過程，因此縮減了其商業潛能。 發明概要

在以下描述的具體實施例中，便宜地製造一X輻射源可以 克服上述問題，該x輻射源包括：標準半導體微影所需要的 一陽極層和電子源。具體實施例中也包括微型裝置，其比 目前較大的X輻射設備較容易使用於醫療和分析裝置中-。該 X輻射源的更進一步的具體實施例可以提供多光譜x輻射 ’並且能減少處理的複雜性和使用時間，但是，目前還不 易獲得多光譜X輻射。 在一組具體實施例中，一 X輻射源是由一電子發射層和一 陽極層組成；該電子發射層包括一第一側以及從該第一側 大出的一第一發射尖端；該陽極層位於距該發射層的該第

側大約只有1 〇 〇 〇微米處。在一具體實施例中，一閘電極 層可以位於該電子發射層與該陽極層之間。 在另一組具體實施例中，形成一 X輻射源的一過程可以包 含：在一第一側的一發射層上形成一第一絕緣層。該發射 層至少包含從該第一側突出的一第一發射尖端。該過程也 包含：形成一擷取閘極層、一第二絕緣層以及一陽極層。 姓刻該第二絕緣層、擷取閘極層以及第一絕緣層，以分別 在該第二絕緣層、該擷取閘極層以及該第一絕緣層上界定 穿孔。這些穿孔可以橫向環繞該第一發射尖端的一中心軸 -6- (3)

一側垂直。 其包含一電子 %繞從該陽極 例中，該電子 電子源層，其 一發射尖端。 向環繞從該第 射尖端實質上

然而，另一具體實施例包括-X輕射Γ: 源。該陽極層包括—第_陽極區，盆橫向 層延伸的一第-穿孔。在-特殊具體實施 源包括-光發射體’或者該電子源包括一 具有一第一側以及從該第一側突出的一第 在另m實施例中’該第_穿孔可以橫 一發射尖端延伸出的一第一軸，該第一發 與邊電子源之該第一側垂直。 泫上述的一般性描述與下列的詳細描述僅僅是示範性的 、說明性的，不是本發明申請專利範圍所限制的。 圖式簡單說明 藉由範例說明本發明，並且不侷限於附圖。 圖1包括一部分發射尖端之一橫截面視圖的一說明，該電 子發射層具有使用一鑄模形成的發射尖端。

圖2是圖1中該鑄模移出後，以及一第一絕緣層在該電子 發射層和發射尖端上形成以後，該電子發射層的一部分橫 截面視圖之一說明。 圖3是圖2中該第一絕緣層整平後，以及一擷取閘極層在 該第一絕緣層上形成並圖樣化後的該電子發射層的部分橫 截面視圖之一說明。 圖4包括圖3中的該擷取閘極層的部分上視圖之說明，其 中用分隔的擷取閘極區域形成該擷取閘極層。 圖5是圖3在該擷取閘極層上形成一第二絕緣層的該電子 (4) (4)

發射層的部分杈截面視圖之說明。 圖6是圖5的該電子發射層的部分 七、載面視圖之說明，盆 中在圖5中，在該第二絕緣層上形 ^ ^ X ^ Φ ^極層，並蝕刻該陽 、末，疋穿孔、'検向環繞該發射尖端的 該第二絕緣層曝光。 平 I便 圖7是圖6的該電子發射層的-部分橫载面放大視圖之說 明，圖6中形成-陽極層，並姓刻該陽極層來界定 其橫向環繞該發射尖端的一中心車由。 圖8包括圖6的該陽極層的一 * I刀』貝口μ視圖之說明，圖6 中使用分隔的陽極區形成該陽極層。 圖9是圖7的該電子發射層的部分橫截面視圖之說明，盆 中在圖7中，在該第二絕緣層上形成穿孔，其橫向環繞該發 射尖端的該中心軸，並使該擷取閘極層曝光。 圖10是圖9的該電子發射層的部分橫截面視圖之說明，其 中，圖9中’㈣擷取閘極層上形成穿孔，其橫向環繞該發 射尖端的該中心軸，並使該第一絕緣層曝光。 圖"是圖10在該第-絕緣層上形成穿孔後，該電子發射 層的一部分橫戴面視圖之說明。 圖12是各向同性蝕刻該第一與第二絕緣層過程中的一橫 截面視圖之說明。 圖13疋一 X輻射源的一部份橫戴面視圖之說明，其中在 該陽極層與電子發射層之間的該區中，該陽極層密 真空。 9 圖14是一 Χ輻射源的一部分橫截面視圖，其中該電子源包 (5) 靉顯_ 含一光發射體層。 熟悉此項技術者可以發現，為了簡化及清楚起見，並沒 有將圖式中的元件依照比例繪製。例如，相對於其他元件 ，圖中部份元件的尺寸可能過度放大，以利於更容易瞭解 本發明的具體實施例。 發明評細說明 現在將詳細參考本發明的示範性具體實施例，在所附圖 中說明其範例。盡可能i也’在所有圖式中，利用相同的參 考編號來代表相同或類似的零件（元件）。 - -X賴射源可以由-電子發射層與_陽極層組成。該陽極 層離該發射層大約只h，00_，或者其包括 其橫向環繞-穿過從該陽極層延伸的穿孔。在—呈體趣施 例中，多數電子發射尖端都使㈣㈣電極與陽極=當 該陽極區是由不同的材料組成時，就可以發射複數個波長 。在另一具體實施例中，使用類似於傳統半導體裝置製造 的處理操作可以製造整體結構。該χ轄射源相當小，並:可 以使用於限定的範圍内，比如醫療裝置中。現在注意範例 具體實施例的詳細描述。 圖1疋使帛-鑄模14形朗—電子發射層 尖端12的-部分視圖之說明。該禱模— 錐形、圓錐形’或者其它形狀的㈣馳成，鑛㈣產生 该發射尖端U。錐形尖端底部寬度大約μ微米，高度大約 W微米。該電子發射層1G與發射尖端12可以是由以碳為主 的材料製成，該鑄模14可以切質材料製成。在_具體實 566060 ⑹

施例中，使用傳統技術，把以炉 兔為主的薄膜生長到一句令 的鑄权14上，形成該電子發射層1G與發射尖端12 ::14中充分形成該發射尖端。以後’移去該鑄模μ 。在另-具體實施例中，該發射尖端12可以是以碟為主的 \亚且5亥電子發射層1〇或者—部分可以包含諸如多晶石夕、 石反化矽或者非晶矽的其它材 匕材枓。在其它具體實施例中，可 :形^多不同的尖端。例如，可以用鑄模Μ中的單 齒，在該電子發射層10上形成單個發射尖端12。 圖2是該電子發射層__部分視圖之說明，該電子發 射層有發射尖端12與一第一率祕 , 心外層20。在該電子發射層 10與發射尖端12(如圖2所示）上， )上形成亚整平該第一絕緣 層20。该第一絕緣層2〇可以 3 —乳化石夕或者其它有類 似絕緣屬性的材料，並且使 „Λ/Γ,^. ^ 使用赁錢沉積、化學氣相沉積 (CVD)或者其它方法形成該第一 、吧、味層2 0，而且也可以倭 用傳統化學或者機械製程整平 卞°哀弟一絕緣層20。層20的 厚度大約是1. 〇 - 5 · 0微米。 圖3是一擷取層30的一視圖說明，在該整平的第一絕緣層 2〇上形成該擷取層3〇。使用噴減沉積、CVD或者立它方法 ，在該第一絕緣層20上，形成一掏而〆 願取閘極層3 〇，並且可以 使用傳統化學和機械製程整平該和 ,a 十系擷取閘極層30。該擷取閘 極層30可以包含鉬、鈦、多晶 -乂者其匕類似放射性導 電材料，並且厚度大約為〇 5_5 〇 / 、 .以乂未。使用一般的微影製 私’形成該榻取閘極層3 〇的圖案。 如圖4所示，使用該圖形至少可 乂形成一弟一擷取閘電 -10· 566060 ⑺

極42與一第二擷取閘電極44。可以彼此獨立操作該擷取 閘電極42與44，並且任一個該擷取閘電極都能控制來自 至v下層發射尖端1 2的電子流。與該第二擷取閘電極 44相比，該第一擷取閘電極42可以包含不同的形狀，並 且能控制不同量的下層發射尖端40。該第一擷取閘電極 42與該第二擷取閘電極料間隔分開且與第二擷取閘電極 44電絕緣。或者，圖樣化該擷取閘極層形成一擷取閘電 極’以控制所有下層發射尖端12。 吏用貝濺/儿積、CVD，或者其它方法，在該擷取閘極層 30上，形成圖5所示的一第二絕緣層5〇，並且也可以使用標 準^匕子或機械製程，整平該第二絕緣層5〇。該第二絕緣層 可以疋_氧化矽材料的，或者其它具有類似絕緣屬性材 料的，亚且厚度大約為1.5-1000.0微米。通常，該厚度大約 是50-300微米。

圖6所示，在该第二絕緣層5〇上形成一陽極層。該陽 ^層60可w包含紹、碳、鶴，^者任意能提供—輻射光譜 、才料，厚度大約為1〇-1〇〇〇微米。通常，該厚度大約是 1〇 5〇微米。可以直接在該下層上方形成該陽極層60，或者 單獨形成該陽極層㈣，把它固定在該下層上。通常，會 遮罩並蝕刻該陽極層6〇，以界定陽極區以及穿孔Μ，每一 — 見又）大約為〇.1-0.5微米，例如〇·3微米，這些穿孑匕 一向衣、八各自的發射尖端12的中心軸62 ,並且延伸到該第 、味曰5〇在一具體實施例中，這些穿孔64實質上位於 各自次端的該中心軸62周圍。 -11 - 566060

⑻ 圖7是一發射尖端12周圍的一放大視圖。儘管，在該尖端 該陽極層6〇之間，有干擾層，但是，為了更詳細說明 3陽極層60中發射尖端丨2和穿孔64間的一些位置關係，圖7 2未顯示該干擾層。穿孔尺寸隨著發射尖端尺寸的變化而 變化，但是，該穿孔尺寸潛在地侷限到角70範圍内，該角 是由該發射尖端12的該中心軸62與該發射尖端㈣一發光 72所構成的，並且，該陽極層60中的該穿孔64的一内邊緣 大为疋1 5度，或者小於丨5度。該蝕刻劑可以是任何商業上 可以獲得的钱刻劑’諸如Ha、H2S以及其它的酸，或者螯 合劑，如乙烯二氨四乙酸⑽丁A)，其能蝕刻該陽極層。 如圖8所不’至少使用一第一陽極區肋與一第二陽極區μ 了以形成㈣極層。該第一陽極區8〇可以包含與該第二陽 極區82不同的一陽極材料。每一個陽極區可能是至少一發 射尖端12發射電子的目標。與該第二陽極區82相比，該第 -陽極區80可以包含一不同的形狀，並且可能是許多不同 的尖端12發射電子的目標。該第一陽極區⑼與該第二陽極 區82間隔分開，並且彼此電性絕緣。在不同的時間或電壓 内’一陽極區可以輕合到其它陽極區上。或者，可以圖樣 化该陽極層以使一陽極區使所有尖端的目標。 各向異性I虫刻該第-难续思C λ m 弟一，.、巴、，水層50，以界定穿孔90，其可以 橫向環繞該發射尖端12m62，並且延伸到_中所 不的ό玄擷取閘極層3 〇。如圖- 审 Ώ10所不，各向同性蝕刻該擷取 閘極層30,以界定穿孔1〇〇的 —心軸62，並且延伸二其:向_發射尖端 申到該弟一、纟巴緣層2〇。該擷取閘 -12- (9) (9)566060 趣 極層100的穿孔可以比該陽極層64中的穿孔大。 如圖11所不，各向異性蝕刻該第一絕緣層2〇，以界定穿 孔110，其橫向環繞該發射尖端12的該中心軸62，並且延伸 到該尖端12。如圖12中所示，可以使用各向同性蝕刻分別 擴大該第一與第二絕緣層的穿孔11〇與9〇。穿孔11〇或卯的 寬度，或者兩者的寬度大於該擷取閘極層3〇的穿孔1〇〇以及 該陽極層60的穿孔64。 電線引線（未顯示）可以焊接、粘合，或者電性連接到該 擷取閘極層、陽極層以及電子發射層上。可以把該χ輻射源 放在一暗箱中，此處維護一真空，以形成一實質上完整的X 輻射源。 相應產生的一 X輻射源可以是一整體結構的，其中該乂輻 射源的實體組件包含一半導體夾層結構。使用沉積和微影 製程完整地把該電子發射層、絕緣層、擷取閘極層以及陽 極層實質上形成一體。所描述的該整體χ輻射源中，該電子 發射層與該陽極層之間距離大約是5-ΐ，〇〇〇微米，通常，大 約是50-300微米。該發射尖端12與陽極層7〇之間的電壓差 大約是0.5-50.0 KV，使用該電壓差可以操作該光源。 在另一具體實施例中，按照以前描述的形成該電子發射 層10、第一絕緣層20、包含閘電極42與44的擷取閘極層， 以及第一、纟巴緣層5 0。在製造一陽極層之前，在該第二絕緣 層50形成一遮罩（未顯示），並且在蝕刻過程中，使用它界定 該第二絕緣層50、該擷取閘極層4〇以及第一絕緣層2〇中的 穿孔。可以把該陽極層13 〇形成一薄膜、磁帶，或者其它極 -13- 566060 (ίο)

其薄的結構。使用傳統製程形成的該陽極層13〇遠離其它層 ’並且# H接’或者固定在該第二絕緣層5G上，形二 如圖13所示的一整體結構。使用傳統方法，在該發射層^ 上的區域132内，形成一真空。當抽空該陽極層13〇後，形 成的該陽極層130沒有穿孔，並且可以在該區132中，密封 该真空。或者，該陽極層130可以包含前面描述的穿孔，並 且具有利用一 X輕射透明材料覆蓋或封閉的任意穿孔。'' 在圖14描述的該X輻射源的另一具體實施例中，該發射層 可以包含一光發射體層。可以在諸如石英或鑽石的一透= 基板140上，形成一光發射體層142，其包含如Cs_〇_Ag、

GaAs、CsTe，或者等等其它材料。在該光發射體層μ]上 ，形成一介電層144，在該介電層144上形成一陽極層146 。使用標準的蝕刻劑，在該陽極層146上，蝕刻延伸到該介 電層的穿孔（未顯示），並且蝕刻該介電層中的一空穴 。或者，蝕刻該介電質形成該空穴126，並且分別形成該陽

極146，然後固定在該介電質上。該陽極層146可以包含多 個陽極區，並且每一個陽極區可以包含不同的陽極材料。 把一光源朝向該光發射體層142的選擇區，有選擇地活化一 組或多組陽極區。可以使用繞射光栅（未顯示）控制或操作一 光源。 孩X輻射源的具體實施例不需要磁引力或足夠的磁引力 以把5玄發射層的電子集中或者指導到該陽極上。儘管如 此，如果需要，也可以使用一個或多個磁體。 可以任意使用該X輻射源的具體實施例。可以選擇陽極層 -14 - 566060

⑼ 或者、乡巴緣層尽度以供少數传爾 L , 使用’如專用。或者，基於X輻射

能量或者光譜需要，選擇陽搞思A 3 /、絕緣層厚度以及材料， 以供在一定時間内使用。較長 ，月應用或者高能量需要比較 厚的％極層與絕緣層。許多X _ ^射源在處理之前，可以使用 1-10 次。 於前面的說明書中，參考特定 、疋/、體貫施例來說明本發明 。然而，讀完本說明德，孰i 俊熱知此項技術者應明白，在不背 離如下本發明申請專利範例 J祀可h况下，可以做各種修 改和變更。因此，說明書暨附 - , —付0應視為解說，而不應視為 限制’亚且所有此類的修改皆屬本發明範嘴内。 關於特U體實施例的優勢、其他優點及問題解決方案 已如上述但疋’產生或彰顯任何優勢、優點或解決方案 的優勢、優點、問題解決方案及任何元件，均不應視為任 何=有申請專利範圍的關鍵、必要項或基本功能或元件 。这裏所使用的術語「包含」、「包括」、「具有」或者其它 任何變化是旨在涵蓋-非唯—性的包含。例如，那些包含 兀件表的矛王序、方法、物品，或者裝置不必揭限於上述元 件’但是可以包含未明確列出的其它元件或者此程序、方 法、物。。’或者裝置本身固有的元件。另外，除非明確护 明相反，「或者」是指一包含的或者，而不是指一唯一的： 者。在-範例中’以下任何—個都可以滿足—條件^Β· A 是正T或出現），B是錯誤（或未出現）；A是錯誤（或未出現） ，B是正確（或出現）以及A*B都正確（或都出現）。 -15-

Claims (1)

1. 566060 拾、申請專利範圍 1. 一種X輻射源，包含：

   1，000微米。

   該電子發射層與該陽極層之間的一閘電極層。 其中該電子發射層進 一發射尖端，以及位於 3. 如申明專利範圍第2項之X輻射源，其中該第一發射尖端 包含一以碳為主的材料。 4. 如申請專利範圍第2項之χ輻射源，其中該閘電極層包含 配置的閘電極，彼此可以獨立操作。 5·如申請專利範圍第2項之χ輻射源，其進一步包含一第一 絕緣層和一第二絕緣層，其中： 穿孔； 該第一絕緣層位於該電子發射層與該閘電極層之間； 该第二絕緣層位於該閘電極層與該陽極層之間，該第 一、纟巴緣層、該第二絕緣層以及該閘電極層分別包含一 第一絕緣層穿孔、一第二絕緣層穿孔以及一閘電極層 每一個該第一絕緣層穿孔、該第二絕緣層穿孔以及該 閘電極層穿孔，都橫向環繞穿過該第一發射尖端延伸的 一中心軸，其中該中心軸實質上垂直於該發射層的該第 一側；及 每一個該第一絕緣層穿孔和該第二絕緣層穿孔寬度 566060

   6·

   /、中5亥電子發射層包 都大於該閘電極層的穿孔寬度。 如申請專利範圍第1項之X輻射源 含一光發射體層。 如申請專利範圍第1項之X輻射源，复 整體結構。 "〜Χ輻射源是一 8. 如申請專利範圍第1項之X輻射源 多間隔分開的陽極區。 其中該陽極層包含許 9. 10. 如申請專利範圍第8項之X輻射源， 組成材料與其它陽極區的組成材料 如申請專利範圍第1項之X輻射源， 含一磁體。 其中至少一陽極區的 不同。 _ 其中該X輻射源不包

   11·如申請專利範圍第i項之X輻射源，其中該陽極層在形成 於該電子發射層與陽極層之間的區域中密封一真空。 12· —種用於形成一 X輻射源之程序，包含： 在-第-侧的-發射層形成一第—絕緣層，其中該發 射層包含從該第一側突出的一第一發射尖端；

   形成一操取閘極層； 形成一第二絕緣層； 形成一陽極層；及 蝕刻孩第二絕緣層、該擷取閘極層以及該第一絕緣層 ,以界定該第二絕緣層、該擷取閘極層以及該第一絕緣 層的穿孔的位置；該等穿孔橫向環繞該第一發射尖端的 一中心軸，該等中心軸實質上與該發射層的該第一側垂 直。 -17-

   13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 其中該第一發射尖端包 其進一步包含鑄模該第 其中使用包含一基板的 圍第12項之程序，其進-步包含:_該 横向環繞該中㊃。 杨極層巾的該穿孔 如申請專利範圍第12項之程序 含一以碳為主的材料。 如申請專利範圍第12項之程序 一發射尖端。 如申請專利範圍第1 5項之程序^ 模子缚模，該基板包含錐形錯齒。 H = —S第12項之程序’進_步包含㈣該陽極 第一陽極區以及一第二陽極區，其中該第-第一陽極材料組成，以及-第二陽極區是 由…弟極區不同的第二陽極材料所組成的。 如申請士利範圍第12項之程序，進一步包含·· 在該第一側形成該發射層；及 ^該發射層的㈣-側形成㈣-發射尖端。 如申請專利範圍第丨2：cg夕p ^ 貢之序，其中蝕刻進一步包含·· 在蝕刻該第一猙缝厗义 ^一 、、日之則，至少各向異性蝕刻一部 分5玄苐一絕緣層；及 至少各向同性蝕刻-部分該第二絕 第一絕緣層。 如申請專利範圍第19項之 —# < %序’其中，蝕刻完成以後， 该弟一絕緣層斑該第- —W η —巴緣層的每一穿孔寬度都大於 这閘笔極層的穿孔寬度。 ，18- 566060 21. 22. 23 24. 25. 26. 27. 如申請專利範圍第12項之程序，進一步包含： 圖樣化該擷取閘電極層，以形成間隔分開的一第一擷 取閘極與一第二擷取閘極，並且該第二擷取閘極其與該 第一掏取閘極絕緣；及 圖樣化該陽極層，以形成一第一陽極區和一與該第一 陽極區間隔分開的第二陽極區。 一種X輻射源包含： 一陽極層與該電子源層絕緣，其包含一第一陽極區 其橫向環繞穿過該第一陽極層延伸的—第一穿孔。 如申請專利範圍心項之乂㈣源，進_步包含： 從該電子源層的該第一側突出的—第一發射尖端； 取擷取閘極層位於該電子源層的該第一側與 陽極層之間， 發射尖端實質二= 如申請專利範圍第23項之χ輻射源 端包含一以碳為主的材料。 如申請專利範圍第23項之X輻射源 端是錐形。 其中該第一發射尖 其中該第一發射尖

   如申請專利範圍第22項之χ輻射源， 含一光發射體層。 如申請專利範圍第22項之X輻射源， 其中該電子源層包 其中： -19- 566060 該陽極層進一步包含一第二陽極區；及 該第一陽極區的組成材料與該弟二陽極區的組成材 料不同。 2 8.如申請專利範圍第22項之X輻射源，其中該第一穿孔直 徑大約小於0.3微米。

   -20-