JP3079994B2 - 真空マイクロデバイス - Google Patents
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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- H01J1/02—Main electrodes
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J3/02—Electron guns
- H01J3/021—Electron guns using a field emission, photo emission, or secondary emission electron source
- H01J3/022—Electron guns using a field emission, photo emission, or secondary emission electron source with microengineered cathode, e.g. Spindt-type
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B1/00—Devices without movable or flexible elements, e.g. microcapillary devices
- B81B1/006—Microdevices formed as a single homogeneous piece, i.e. wherein the mechanical function is obtained by the use of the device, e.g. cutters
- B81B1/008—Microtips
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は真空マイクロデバイ
スに関し、特に微小なマイクロ波真空管や微小な表示素
子等などの応用に用いられる電界放出型冷陰極に関す
る。
スに関し、特に微小なマイクロ波真空管や微小な表示素
子等などの応用に用いられる電界放出型冷陰極に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】シリコン半導体技術を利用すると非常に
微小な電界放出型冷陰極を作製することが可能であり、
従来からいくつかの方法が知られている。しかし、電界
放出型冷陰極の機能を高めるには、エミッタ電極の先端
が尖っていること、および複数のエミッタ電極の形状が
均一に揃っていること等の形状的な要求の他に、仕事関
数が低くまた環境によって変化しにくいエミッター材料
を用いる等の材料的な要求を満足することが必要であ
る。このため、近年、シリコン基板に底面が尖った凹部
を設けてこれにエミッター材料を埋め込み、その後エミ
ッターからシリコン基板を分離するというモールド法の
原理を利用した作製方法が注目を集めるようになった。
このモールド法を利用した電界放出型冷陰極の作製方法
は、Ｈ．Ｆ.Grey 等が米国で出願した「Method of Manu
facturing a Field-Emission CathodeStructure」（US
Patent 4307507)によって最初に報告された。このよう
なモールド法は、シリコン基板に多数の微小な凹部を均
一に作製できること、そしてエミッタ材料をこの凹部に
埋め込むだけでよいので加工が容易であり種々のエミッ
タ材料が利用できるという特長がある。
微小な電界放出型冷陰極を作製することが可能であり、
従来からいくつかの方法が知られている。しかし、電界
放出型冷陰極の機能を高めるには、エミッタ電極の先端
が尖っていること、および複数のエミッタ電極の形状が
均一に揃っていること等の形状的な要求の他に、仕事関
数が低くまた環境によって変化しにくいエミッター材料
を用いる等の材料的な要求を満足することが必要であ
る。このため、近年、シリコン基板に底面が尖った凹部
を設けてこれにエミッター材料を埋め込み、その後エミ
ッターからシリコン基板を分離するというモールド法の
原理を利用した作製方法が注目を集めるようになった。
このモールド法を利用した電界放出型冷陰極の作製方法
は、Ｈ．Ｆ.Grey 等が米国で出願した「Method of Manu
facturing a Field-Emission CathodeStructure」（US
Patent 4307507)によって最初に報告された。このよう
なモールド法は、シリコン基板に多数の微小な凹部を均
一に作製できること、そしてエミッタ材料をこの凹部に
埋め込むだけでよいので加工が容易であり種々のエミッ
タ材料が利用できるという特長がある。
【０００３】しかし、このH. F. Grey 等の特許には、
もしエミッタ材料が薄い薄膜であるときにはエミッタを
シリコン基板から分離したときにエミッタの強度が十分
でないために、エミッタを厚く作製しなければならない
という制限があった。このためエミッタの作製時間が長
くなり、また、エミッタ材料に残留する大きな応力を制
御する技術が必要であるという課題が残されていた。薄
いエミッタ薄膜を用いて冷陰極デバイスを作製すること
を可能とする一つの方法は、このエミッター薄膜を十分
の強度をもつ構造基板に張り付けて補強するという方法
である。この方法を用いて三極管構造のデバイスを作製
した例が、中本等による「電界放出型冷陰極の製造方
法、それを用いた電界放出型冷陰極、および平板型画像
表示装置」（特開平６−３６６８２号公報）に記載され
ている。以下、図９および図１０を用いてこの従来技術
を説明する。
もしエミッタ材料が薄い薄膜であるときにはエミッタを
シリコン基板から分離したときにエミッタの強度が十分
でないために、エミッタを厚く作製しなければならない
という制限があった。このためエミッタの作製時間が長
くなり、また、エミッタ材料に残留する大きな応力を制
御する技術が必要であるという課題が残されていた。薄
いエミッタ薄膜を用いて冷陰極デバイスを作製すること
を可能とする一つの方法は、このエミッター薄膜を十分
の強度をもつ構造基板に張り付けて補強するという方法
である。この方法を用いて三極管構造のデバイスを作製
した例が、中本等による「電界放出型冷陰極の製造方
法、それを用いた電界放出型冷陰極、および平板型画像
表示装置」（特開平６−３６６８２号公報）に記載され
ている。以下、図９および図１０を用いてこの従来技術
を説明する。
【０００４】図９はモールド法を利用した電界放出型冷
陰極の構造を示したものである。同図において、ガラス
基板１００の上に電流放射領域１０４において先端が尖
った形状を持つエミッタ電極１０１が設けられており、
この上に酸化膜１０２を介してゲート電極１０３が作製
されている。ゲート電極１０３とエミッタ電極１０１と
の間に１００Ｖ程度の電圧を印加すると、電流放射領域
１０４においてエミッタ電極１０１の先端が鋭く尖って
いるために１０9 Ｖ／ｃｍ程度の強い電界が生じる。そ
してこの強い電界のためにエミッタ電極１０１の先端か
ら電子が放射される。電流放射領域１０４はこのように
強い電界を発生させる領域であるため、精密な精度でエ
ミッタ電極１０１およびゲート電極１０３の形状を制御
することが要求される。
陰極の構造を示したものである。同図において、ガラス
基板１００の上に電流放射領域１０４において先端が尖
った形状を持つエミッタ電極１０１が設けられており、
この上に酸化膜１０２を介してゲート電極１０３が作製
されている。ゲート電極１０３とエミッタ電極１０１と
の間に１００Ｖ程度の電圧を印加すると、電流放射領域
１０４においてエミッタ電極１０１の先端が鋭く尖って
いるために１０9 Ｖ／ｃｍ程度の強い電界が生じる。そ
してこの強い電界のためにエミッタ電極１０１の先端か
ら電子が放射される。電流放射領域１０４はこのように
強い電界を発生させる領域であるため、精密な精度でエ
ミッタ電極１０１およびゲート電極１０３の形状を制御
することが要求される。
【０００５】図１０は、図９の構造を作製するための製
造方法を工程順に示したものである。先ず、図１０
（ａ）において、シリコン基板１１０上に酸化膜１１１
をマスクにして１μｍ×１μｍ×０．７μｍ程度の大き
さをもつ開口穴１１６を作製する。このとき、ＫＯＨを
用いてシリコン基板をエッチングすると逆三角錐の形状
をもつ開口穴を容易に作製することができる。次いで、
図１０（ｂ）のように、シリコン基板１１０を酸化して
厚さ約３００ｎｍ程度の酸化膜１１２を先の開口穴１１
６の内部に作製する。続いて、酸化膜１１２の上にエミ
ッタメタル１１３を約１μｍ堆積する。ここで、酸化膜
１１２を開口穴１１６の中に作製すると開口穴１１６の
先端の形状を鋭く尖らせることが可能となる効果があ
る。さらに、図１０（ｃ）のように、エミッタメタル１
１３とガラス基板１００を静電接合法を用いて接着す
る。その後、試料をＫＯＨエッチング液の中に浸して、
シリコン基板１１０を完全に除去する。ＫＯＨは酸化膜
に比べてシリコンのエッチング速度が約１００倍大きい
ために同図（ｃ）に示す構造が得られる。
造方法を工程順に示したものである。先ず、図１０
（ａ）において、シリコン基板１１０上に酸化膜１１１
をマスクにして１μｍ×１μｍ×０．７μｍ程度の大き
さをもつ開口穴１１６を作製する。このとき、ＫＯＨを
用いてシリコン基板をエッチングすると逆三角錐の形状
をもつ開口穴を容易に作製することができる。次いで、
図１０（ｂ）のように、シリコン基板１１０を酸化して
厚さ約３００ｎｍ程度の酸化膜１１２を先の開口穴１１
６の内部に作製する。続いて、酸化膜１１２の上にエミ
ッタメタル１１３を約１μｍ堆積する。ここで、酸化膜
１１２を開口穴１１６の中に作製すると開口穴１１６の
先端の形状を鋭く尖らせることが可能となる効果があ
る。さらに、図１０（ｃ）のように、エミッタメタル１
１３とガラス基板１００を静電接合法を用いて接着す
る。その後、試料をＫＯＨエッチング液の中に浸して、
シリコン基板１１０を完全に除去する。ＫＯＨは酸化膜
に比べてシリコンのエッチング速度が約１００倍大きい
ために同図（ｃ）に示す構造が得られる。
【０００６】続いて、図１０（ｄ）のように、ゲートメ
タル１１４を約１μｍスパッタした試料の表面にレジス
ト１１５を塗布する。ここで、エミッタメタル１１３お
よびゲートメタル１１４は通常モリブデンが用いられ
る。さらに、図１０（ｅ）のようにレジスト１１５をド
ライエッチング装置を用いて試料全面が均一な速度でエ
ッチングされる条件でバックエッチを行い、尖った先端
が形成されている領域１１７の酸化膜１１２が露出した
ところでバックエッチを終了する。さらに、図１０
（ｆ）のように、レジスト１１５を除去した後、試料を
ＨＦ溶液に入れて領域１１７で露出している酸化膜１１
２のエッチングを行う。このようにして、エミッタ電極
用のメタル１１３の先端を露出させることができる。
タル１１４を約１μｍスパッタした試料の表面にレジス
ト１１５を塗布する。ここで、エミッタメタル１１３お
よびゲートメタル１１４は通常モリブデンが用いられ
る。さらに、図１０（ｅ）のようにレジスト１１５をド
ライエッチング装置を用いて試料全面が均一な速度でエ
ッチングされる条件でバックエッチを行い、尖った先端
が形成されている領域１１７の酸化膜１１２が露出した
ところでバックエッチを終了する。さらに、図１０
（ｆ）のように、レジスト１１５を除去した後、試料を
ＨＦ溶液に入れて領域１１７で露出している酸化膜１１
２のエッチングを行う。このようにして、エミッタ電極
用のメタル１１３の先端を露出させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この図９およ
び図１０に示す従来技術では、次のような問題が生じて
いる。すなわち、図９に示すように電流放射領域１０４
の下部においてエミッタ電極１０１とガラス基板１００
との間に空隙であるボイド１０５が存在する。これは、
図１０（ｂ）に示す作製方法において、開口穴１１６の
窪みにエミッタメタル１１３を堆積する際に開口穴１１
６の窪み形状を反映して凹部が形成されるためである。
このボイドの存在は以下に述べるようにデバイスの作製
を困難にするとともに、できあがったデバイスの特性を
劣化させる原因となるものである。
び図１０に示す従来技術では、次のような問題が生じて
いる。すなわち、図９に示すように電流放射領域１０４
の下部においてエミッタ電極１０１とガラス基板１００
との間に空隙であるボイド１０５が存在する。これは、
図１０（ｂ）に示す作製方法において、開口穴１１６の
窪みにエミッタメタル１１３を堆積する際に開口穴１１
６の窪み形状を反映して凹部が形成されるためである。
このボイドの存在は以下に述べるようにデバイスの作製
を困難にするとともに、できあがったデバイスの特性を
劣化させる原因となるものである。
【０００８】第１に、図１０（ｃ）の工程で述べたよう
に、エミッタメタル１１３を堆積した後にシリコン基板
１１０はガラス基板１００に静電接合法を用いて接着さ
れる。この静電接合法では二つの基板を互いの接着面を
接触させて約４００℃に加熱した雰囲気に置いて接着を
行うが、このときボイド１０５の間に存在する空気が加
熱されるために空気の膨張が生じてボイド１０５内の圧
力の増大を引き起こす。この圧力の増大のために二つの
基板の接着面を引き離そうとする力が働き、二つの基板
の接着が難しくなる。このため、従来ではこの接着面を
引き離そうとする力に打ち勝つだけの静電気力（引力）
を接着面に加え、さらに接着時間を長くすることによっ
て二つの基板の接着を行っているが、基板全面を均一に
接着することは非常に困難であった。したがって、作製
されたデバイスチップにおいては一部においてエミッタ
メタル１１３がガラス基板１００に接着されていない未
接着の領域の発生を避けることができなかった。
に、エミッタメタル１１３を堆積した後にシリコン基板
１１０はガラス基板１００に静電接合法を用いて接着さ
れる。この静電接合法では二つの基板を互いの接着面を
接触させて約４００℃に加熱した雰囲気に置いて接着を
行うが、このときボイド１０５の間に存在する空気が加
熱されるために空気の膨張が生じてボイド１０５内の圧
力の増大を引き起こす。この圧力の増大のために二つの
基板の接着面を引き離そうとする力が働き、二つの基板
の接着が難しくなる。このため、従来ではこの接着面を
引き離そうとする力に打ち勝つだけの静電気力（引力）
を接着面に加え、さらに接着時間を長くすることによっ
て二つの基板の接着を行っているが、基板全面を均一に
接着することは非常に困難であった。したがって、作製
されたデバイスチップにおいては一部においてエミッタ
メタル１１３がガラス基板１００に接着されていない未
接着の領域の発生を避けることができなかった。
【０００９】第２に、図１０（ｃ）に示すように、二つ
の基板を接着させた後に厚さ約１μｍのエミッタメタル
１１３と厚さ約３００ｎｍの酸化膜１１２を残してシリ
コン基板１１０は完全に除去される。このシリコンエッ
チングが進行している間シリコンのエッチング溶液（Ｋ
ＯＨ）は約１１０℃に加熱されており、シリコン面から
シリコンのエッチング反応において発生する水素の泡が
勢い良く発生しているのが観察される。このとき、水素
の泡によってエミッタメタル１１３と酸化膜１１２の薄
い膜からなる構造が破壊されるということがしばしば起
こった。これは、薄膜内の残留応力の存在に加えて、ボ
イド１０５内の空気の膨張およびガラス基板１００への
未接着領域の存在によって薄膜構造体に大きなストレス
が働いたためである。
の基板を接着させた後に厚さ約１μｍのエミッタメタル
１１３と厚さ約３００ｎｍの酸化膜１１２を残してシリ
コン基板１１０は完全に除去される。このシリコンエッ
チングが進行している間シリコンのエッチング溶液（Ｋ
ＯＨ）は約１１０℃に加熱されており、シリコン面から
シリコンのエッチング反応において発生する水素の泡が
勢い良く発生しているのが観察される。このとき、水素
の泡によってエミッタメタル１１３と酸化膜１１２の薄
い膜からなる構造が破壊されるということがしばしば起
こった。これは、薄膜内の残留応力の存在に加えて、ボ
イド１０５内の空気の膨張およびガラス基板１００への
未接着領域の存在によって薄膜構造体に大きなストレス
が働いたためである。
【００１０】第３に、図１０（ｄ）の工程において述べ
たように、図１０（ｃ）で作製した試料の上にゲートメ
タル１１４を堆積するためにこの試料を真空装置の中に
置く必要がある。このとき、ボイドの中に閉じこめられ
た空気の圧力のためにエミッタメタル１１３および酸化
膜１１２の薄膜構造体が破壊されるという問題も発生す
る。
たように、図１０（ｃ）で作製した試料の上にゲートメ
タル１１４を堆積するためにこの試料を真空装置の中に
置く必要がある。このとき、ボイドの中に閉じこめられ
た空気の圧力のためにエミッタメタル１１３および酸化
膜１１２の薄膜構造体が破壊されるという問題も発生す
る。
【００１１】第４に、以上のようにボイド１０５の存在
はデバイスの作製工程において種々の問題を引き起こす
が、さらに作製されたデバイスの特性にも悪い影響を与
える。電界放出型冷陰極デバイスの特性においては、電
流放射領域１０４のエミッタ電極の先端形状、この先端
の周囲のゲート電極の形状、およびエミッタ電極の先端
とゲート電極の相対的な位置関係が非常に重要である。
このため、これらの形状を極めて正確に制御することが
要求される。しかし、電流放射領域１０４の下部にある
ボイド１０５内に閉じこめられる空気の圧力がデバイス
作製工程の中で制御できないために個々のデバイス毎あ
るいは個々の電流放射領域（一つのチップの中に多数の
電流放射領域を作製することが多い）毎にボイド１０５
内部に閉じこめれる空気の圧力が異なっているのが現状
である。ボイド内の空気を閉じこめているエミッタ電極
１０１および酸化膜１０２は薄い薄膜であるために、こ
の空気の圧力の大きさに依存して電流放射領域の形状の
変化が引き起こされる。このため、デバイス毎あるいは
個々の電流放射領域毎にデバイス特性がばらつくという
問題が生じた。また、前記した未接着領域の位置を制御
できないことから、ある電流放射領域の付近ではガラス
基板１００に接着していないという状態が起こる。この
未接着領域に高電界の電圧が印加されるとエミッタ電極
がガラス基板からはがれるという問題が起こったりし
た。
はデバイスの作製工程において種々の問題を引き起こす
が、さらに作製されたデバイスの特性にも悪い影響を与
える。電界放出型冷陰極デバイスの特性においては、電
流放射領域１０４のエミッタ電極の先端形状、この先端
の周囲のゲート電極の形状、およびエミッタ電極の先端
とゲート電極の相対的な位置関係が非常に重要である。
このため、これらの形状を極めて正確に制御することが
要求される。しかし、電流放射領域１０４の下部にある
ボイド１０５内に閉じこめられる空気の圧力がデバイス
作製工程の中で制御できないために個々のデバイス毎あ
るいは個々の電流放射領域（一つのチップの中に多数の
電流放射領域を作製することが多い）毎にボイド１０５
内部に閉じこめれる空気の圧力が異なっているのが現状
である。ボイド内の空気を閉じこめているエミッタ電極
１０１および酸化膜１０２は薄い薄膜であるために、こ
の空気の圧力の大きさに依存して電流放射領域の形状の
変化が引き起こされる。このため、デバイス毎あるいは
個々の電流放射領域毎にデバイス特性がばらつくという
問題が生じた。また、前記した未接着領域の位置を制御
できないことから、ある電流放射領域の付近ではガラス
基板１００に接着していないという状態が起こる。この
未接着領域に高電界の電圧が印加されるとエミッタ電極
がガラス基板からはがれるという問題が起こったりし
た。
【００１２】第５に、図９のデバイスは、安定的に駆動
されるために、通常では約１０ー5Ｔｏｒｒ以下の真空雰
囲気中に置かれるようにパッケージに実装されて用いら
れる。この実装を行うときに、デバイスおよびパッケー
ジに吸着した水分等を離脱させるために約４００℃程度
の温度でデバイスを焼く工程が用いられる。このとき、
ボイドに閉じこめられた空気が膨張して電流放射領域の
形状の変化が引き起こされ、冷却後も形状変化が残され
るという問題が生じる。また、デバイス駆動中に未接着
領域等が破損して内部の空気がパッケージに放出される
ことによってパッケージの真空度が低下するために、デ
バイス特性が著しく劣化するという問題が生じる。この
ため、図９の従来構造のデバイスは長期信頼性が劣ると
いう問題を抱えていた。
されるために、通常では約１０ー5Ｔｏｒｒ以下の真空雰
囲気中に置かれるようにパッケージに実装されて用いら
れる。この実装を行うときに、デバイスおよびパッケー
ジに吸着した水分等を離脱させるために約４００℃程度
の温度でデバイスを焼く工程が用いられる。このとき、
ボイドに閉じこめられた空気が膨張して電流放射領域の
形状の変化が引き起こされ、冷却後も形状変化が残され
るという問題が生じる。また、デバイス駆動中に未接着
領域等が破損して内部の空気がパッケージに放出される
ことによってパッケージの真空度が低下するために、デ
バイス特性が著しく劣化するという問題が生じる。この
ため、図９の従来構造のデバイスは長期信頼性が劣ると
いう問題を抱えていた。
【００１３】以上の問題の他に、第６の問題として、図
９の従来例の構造にはゲート電極およびエミッタ電極を
どのようにしてパッケージのピンに接続して電気信号を
与えるかという構造が示されていなかった。電気信号を
供給する手段はパッケージの形状およびデバイスの利用
範囲を制限する大きな要因であるために、この手段を検
討することは実際の応用において非常に重要である。
９の従来例の構造にはゲート電極およびエミッタ電極を
どのようにしてパッケージのピンに接続して電気信号を
与えるかという構造が示されていなかった。電気信号を
供給する手段はパッケージの形状およびデバイスの利用
範囲を制限する大きな要因であるために、この手段を検
討することは実際の応用において非常に重要である。
【００１４】本発明の目的は、ゲート電極およびエミッ
タ電極に電気信号を与える構造を提案するとともに、ボ
イドの存在による特性のばらつきを低く抑え、また長期
信頼性の優れた真空マイクロデバイスを提供することに
ある。
タ電極に電気信号を与える構造を提案するとともに、ボ
イドの存在による特性のばらつきを低く抑え、また長期
信頼性の優れた真空マイクロデバイスを提供することに
ある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の真空マイクロデ
バイスは、表面に先端を尖らせた形状部分をもち、その
裾部分が隣接する前記先端を尖らせた形状部分と隙間な
くつながっている第一の電極と、この第一の電極の表面
上に前記尖らせた形状部分の先端を除く領域に形成され
た絶縁膜と、この絶縁膜上に形成された第二の電極と、
前記第一の電極の裏面に接着され、かつ前記第一の電極
との接着面に前記先端を尖らせた形状部分を複数含む領
域にわたって形成された凹部をもつ構造基板とを備える
ことを特徴とする。ここで、構造基板に設けられた凹部
の内部がデバイスの外部雰囲気とつながっていることが
好まし。また、第二の電極の表面には、前記尖った形状
が設けられた領域を囲むように支持構造体が設けられる
ことが好ましい。さらに、この支持構造体が半導体で形
成され、その結晶の（１１１）面からなる側面をもつこ
と、あるいは支持構造体が第二の電極を形成する半導体
基板と一体でかつ第二の電極を形成する不純物拡散層の
一部で構成されることが好ましい。
バイスは、表面に先端を尖らせた形状部分をもち、その
裾部分が隣接する前記先端を尖らせた形状部分と隙間な
くつながっている第一の電極と、この第一の電極の表面
上に前記尖らせた形状部分の先端を除く領域に形成され
た絶縁膜と、この絶縁膜上に形成された第二の電極と、
前記第一の電極の裏面に接着され、かつ前記第一の電極
との接着面に前記先端を尖らせた形状部分を複数含む領
域にわたって形成された凹部をもつ構造基板とを備える
ことを特徴とする。ここで、構造基板に設けられた凹部
の内部がデバイスの外部雰囲気とつながっていることが
好まし。また、第二の電極の表面には、前記尖った形状
が設けられた領域を囲むように支持構造体が設けられる
ことが好ましい。さらに、この支持構造体が半導体で形
成され、その結晶の（１１１）面からなる側面をもつこ
と、あるいは支持構造体が第二の電極を形成する半導体
基板と一体でかつ第二の電極を形成する不純物拡散層の
一部で構成されることが好ましい。
【００１６】また、本発明のデバイスにおける電気信号
の印加構造としては、第一の電極を構造基板上に設けら
れた金属電極に接続し、第二の電極を絶縁膜に設けられ
た穴を介して構造基板上に設けられた他の金属電極に接
続し、これらの金属電極を介して第一および第二の各電
極に電気信号を印加する構成、あるいは構造基板が接着
された面と異なる面側に設けられた第一の電極および第
二の電極のそれぞれの一部を露出させ、この露出された
領域を介して第一および第二の電極にそれぞれ電気信号
を印加する構成、さらには、構造基板が接着された面と
異なる面側に設けられた第一の電極の一部を露出させ、
この露出された領域を介して第一の電極に電気信号を印
加し、また第二の電極の上に設けられた支持構造体を介
して第二の電極に電気信号を印加する構成が採用され
る。
の印加構造としては、第一の電極を構造基板上に設けら
れた金属電極に接続し、第二の電極を絶縁膜に設けられ
た穴を介して構造基板上に設けられた他の金属電極に接
続し、これらの金属電極を介して第一および第二の各電
極に電気信号を印加する構成、あるいは構造基板が接着
された面と異なる面側に設けられた第一の電極および第
二の電極のそれぞれの一部を露出させ、この露出された
領域を介して第一および第二の電極にそれぞれ電気信号
を印加する構成、さらには、構造基板が接着された面と
異なる面側に設けられた第一の電極の一部を露出させ、
この露出された領域を介して第一の電極に電気信号を印
加し、また第二の電極の上に設けられた支持構造体を介
して第二の電極に電気信号を印加する構成が採用され
る。
【００１７】また、本発明の他の構成としては、前記第
一の電極の裏面と、前記第１の電極から分離されて前記
第二電極に接続された電極のそれぞれに電気信号を印加
することを特徴とする。
一の電極の裏面と、前記第１の電極から分離されて前記
第二電極に接続された電極のそれぞれに電気信号を印加
することを特徴とする。
【００１８】このような本発明によれば、第一の電極と
してのエミッタ電極が接着される構造基板にボイドの内
部と接続するくぼみが設けられ、このくぼみみの外周部
でエミッタ電極と構造基板が接着されることになるた
め、個々の電流放射領域の下部にあるエミッタ電極は本
質的に全て未接着となる。この結果、従来の個々の電流
放射領域毎に接着、未接着というばらつきが存在すると
いう問題が解決できる。また、このくぼみの内部をデバ
イスの外部の雰囲気と接続するような構造にすることに
よって、くぼみの内部とデバイス外部との圧力差を無く
することができる。さらに、エミッタ電極、酸化膜、第
二の電極としてのゲート電極からなる厚い三層構造体
（例えば約２．３μｍ）として取り扱うことが可能とな
り、機械的剛性が厚さの三乗に比例することからこの構
造体の強度を増大させることができる。例えば、従来に
比較して約５．５倍に剛性が増大する。また、この三層
構造体の周囲にさらに厚い支持構造体（例えば約１００
μｍ）の枠を設けることで、この枠の領域と構造基板を
接着させることによって、接着によって生じる歪みを三
層構造体に直接伝えないようにすることができる。
してのエミッタ電極が接着される構造基板にボイドの内
部と接続するくぼみが設けられ、このくぼみみの外周部
でエミッタ電極と構造基板が接着されることになるた
め、個々の電流放射領域の下部にあるエミッタ電極は本
質的に全て未接着となる。この結果、従来の個々の電流
放射領域毎に接着、未接着というばらつきが存在すると
いう問題が解決できる。また、このくぼみの内部をデバ
イスの外部の雰囲気と接続するような構造にすることに
よって、くぼみの内部とデバイス外部との圧力差を無く
することができる。さらに、エミッタ電極、酸化膜、第
二の電極としてのゲート電極からなる厚い三層構造体
（例えば約２．３μｍ）として取り扱うことが可能とな
り、機械的剛性が厚さの三乗に比例することからこの構
造体の強度を増大させることができる。例えば、従来に
比較して約５．５倍に剛性が増大する。また、この三層
構造体の周囲にさらに厚い支持構造体（例えば約１００
μｍ）の枠を設けることで、この枠の領域と構造基板を
接着させることによって、接着によって生じる歪みを三
層構造体に直接伝えないようにすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態の平
面図、図２はそのＡ−Ａ線の断面図である。図示のよう
に、例えば厚さ０．５ｍｍのガラス基板のような構造基
板１０の上にエミッタ電極１１が設けられており、エミ
ッタ電極１１はその裏面において構造基板１０に接着さ
れ、表面には先端が尖った形状部分が設けられている。
また、この表面には絶縁膜１２を介してゲート電極１３
が作製されている。エミッタ電極１１は、モリブデン、
タンタル、チタン、これらの窒化物、ポリシリコン、Ｌ
ａＢ6 、ダイアモンド膜、等の仕事関数が小さい材料か
らなり、例えば厚さが１μｍ程度である。また、尖った
先端部分は１０ｎｍ以下の曲率半径をもったものであ
る。絶縁膜１２は酸化膜、窒化膜、あるいはエミッター
電極材料の酸化物、窒化物、等であり、例えば０．３μ
ｍ程度の厚さをもっている。ゲート電極１３は、不純物
が添加されて低い抵抗をもつシリコン等からなり、例え
ば厚さが１μｍ程度のｐ型あるいはｎ型シリコン層であ
る。エミッタ電極１１の尖った先端付近には電流放射領
域１４が設けられており、前記絶縁膜１２がこの領域で
一部除去され、エミッタ電極１１の尖った先端が露出さ
れている。
参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態の平
面図、図２はそのＡ−Ａ線の断面図である。図示のよう
に、例えば厚さ０．５ｍｍのガラス基板のような構造基
板１０の上にエミッタ電極１１が設けられており、エミ
ッタ電極１１はその裏面において構造基板１０に接着さ
れ、表面には先端が尖った形状部分が設けられている。
また、この表面には絶縁膜１２を介してゲート電極１３
が作製されている。エミッタ電極１１は、モリブデン、
タンタル、チタン、これらの窒化物、ポリシリコン、Ｌ
ａＢ6 、ダイアモンド膜、等の仕事関数が小さい材料か
らなり、例えば厚さが１μｍ程度である。また、尖った
先端部分は１０ｎｍ以下の曲率半径をもったものであ
る。絶縁膜１２は酸化膜、窒化膜、あるいはエミッター
電極材料の酸化物、窒化物、等であり、例えば０．３μ
ｍ程度の厚さをもっている。ゲート電極１３は、不純物
が添加されて低い抵抗をもつシリコン等からなり、例え
ば厚さが１μｍ程度のｐ型あるいはｎ型シリコン層であ
る。エミッタ電極１１の尖った先端付近には電流放射領
域１４が設けられており、前記絶縁膜１２がこの領域で
一部除去され、エミッタ電極１１の尖った先端が露出さ
れている。
【００２０】なお、この実施形態では、多数の電流放射
領域をもつ例を示したが、用途によってはただ一つの電
流放射領域をもつ例もある。また、この電流放射領域１
４のゲート電極１３は外側に向けて表面が平坦な形状と
なるようにその厚さが変化された構造とされており、こ
のような形状をゲート電極にもたせると従来例の構造よ
りも機械的剛性を大きく持たせることができるという利
点があり、本発明者が別の特許出願において提案してい
るとおりである。
領域をもつ例を示したが、用途によってはただ一つの電
流放射領域をもつ例もある。また、この電流放射領域１
４のゲート電極１３は外側に向けて表面が平坦な形状と
なるようにその厚さが変化された構造とされており、こ
のような形状をゲート電極にもたせると従来例の構造よ
りも機械的剛性を大きく持たせることができるという利
点があり、本発明者が別の特許出願において提案してい
るとおりである。
【００２１】また、前記構造基板１０には、前記エミッ
タ電極１１との接着部分に凹部構造のくぼみ１７が設け
られており、このくぼみ１７は、空気スルー１２０を介
してデバイスの外側の雰囲気と接続されている。このく
ぼみ１７は例えば１００μｍ×１００μｍ×２０μｍ程
度の大きさを持ち、多数の電流放射領域１４を全て含む
広い領域を占めている。一方、空気スルー１２０は例え
ば幅１０μｍ、深さ２０μｍ程度の細長い溝である。な
お、この実施形態ではくぼみ１７の中央線に沿って上下
二つの空気スルー１２０を示したが、原理的には空気ス
ルー１２０は一つあれば十分である。また、くぼみ１７
を外部の雰囲気に接続できるならばどの位置に設けられ
てもかまわないものである。このような外部雰囲気につ
ながったくぼみ１７を設けたことによって、従来例で問
題であったボイド内部に閉じこめられた空気の影響を除
去することが可能となる。
タ電極１１との接着部分に凹部構造のくぼみ１７が設け
られており、このくぼみ１７は、空気スルー１２０を介
してデバイスの外側の雰囲気と接続されている。このく
ぼみ１７は例えば１００μｍ×１００μｍ×２０μｍ程
度の大きさを持ち、多数の電流放射領域１４を全て含む
広い領域を占めている。一方、空気スルー１２０は例え
ば幅１０μｍ、深さ２０μｍ程度の細長い溝である。な
お、この実施形態ではくぼみ１７の中央線に沿って上下
二つの空気スルー１２０を示したが、原理的には空気ス
ルー１２０は一つあれば十分である。また、くぼみ１７
を外部の雰囲気に接続できるならばどの位置に設けられ
てもかまわないものである。このような外部雰囲気につ
ながったくぼみ１７を設けたことによって、従来例で問
題であったボイド内部に閉じこめられた空気の影響を除
去することが可能となる。
【００２２】さらに、前記ゲート電極１３の上に全ての
電流放射領域１４を囲む枠形状で支持構造体１６が設け
られている。そして前記くぼみ１７はこの支持構造体１
６が囲む領域の内側の領域に存在するように配置されて
いる。このように配置すると、支持構造体１６の領域の
下に位置するエミッタ電極１１を構造基板１０の表面に
接触しておくことができ、この接触面で両者を互いに接
着させることが可能である。支持構造体１６は例えば１
００μｍ程度の厚さをもつように作製することができる
ため、エミッタ電極１１、絶縁膜１２、およびゲート電
極１３からなる三層薄膜構造体の厚さ（例えば約２．３
μｍ）に比べて著しく厚いものとなる。したがって、支
持構造体１６を枠組みとしてもつ前記三層薄膜構造体の
機械強度が著しく増大するために、構造基板１０との間
にくぼみ１７および空気スルー１２０の未接着領域が存
在したとしてもデバイス全体の構造に充分な強度をもた
せることが可能である。なお、この実施形態では、支持
構造体１６の内側には５４．７度の傾斜をもったテーパ
１２１を設けた例が示されている。これは、シリコン半
導体基板をエッチングして支持構造体１６を作製する際
にシリコン基板の（１１１）面のエッチング速度が遅い
ことを利用して作製した結果である。なお、本実施例で
は、くぼみ１７がこの例よりも広くなってくぼみの側面
が支持構造体１６の下に位置するようにしても本発明と
同様の効果を得ることが可能である。
電流放射領域１４を囲む枠形状で支持構造体１６が設け
られている。そして前記くぼみ１７はこの支持構造体１
６が囲む領域の内側の領域に存在するように配置されて
いる。このように配置すると、支持構造体１６の領域の
下に位置するエミッタ電極１１を構造基板１０の表面に
接触しておくことができ、この接触面で両者を互いに接
着させることが可能である。支持構造体１６は例えば１
００μｍ程度の厚さをもつように作製することができる
ため、エミッタ電極１１、絶縁膜１２、およびゲート電
極１３からなる三層薄膜構造体の厚さ（例えば約２．３
μｍ）に比べて著しく厚いものとなる。したがって、支
持構造体１６を枠組みとしてもつ前記三層薄膜構造体の
機械強度が著しく増大するために、構造基板１０との間
にくぼみ１７および空気スルー１２０の未接着領域が存
在したとしてもデバイス全体の構造に充分な強度をもた
せることが可能である。なお、この実施形態では、支持
構造体１６の内側には５４．７度の傾斜をもったテーパ
１２１を設けた例が示されている。これは、シリコン半
導体基板をエッチングして支持構造体１６を作製する際
にシリコン基板の（１１１）面のエッチング速度が遅い
ことを利用して作製した結果である。なお、本実施例で
は、くぼみ１７がこの例よりも広くなってくぼみの側面
が支持構造体１６の下に位置するようにしても本発明と
同様の効果を得ることが可能である。
【００２３】一方、構造基板１０の外周部の一部にはエ
ミッタ電極１１およびゲート電極１３に外部から電気信
号を供給する手段となるエミッタコンタクトパッド１５
およびゲートコンタクトパッド１９が設けられている。
エミッタコンタクトパッド１５はその一部でエミッタ電
極１１の一部と直接接触している。また、ゲートコンタ
クトパッド１９は絶縁膜１２の一部に設けられたホール
を介してゲート電極１３と電気的に接続するコンタクト
スルー１８に接触している。コンタクトスルー１８とエ
ミッタ電極１１は電気的に分離させられているために、
ゲート電極１３とエミッタ電極１１にそれぞれ異なる電
気信号を与えることが可能である。これら構造基板１０
上に設けられたコンタクトパッド１５および１９は、例
えばチタン３０ｎｍ、白金２０ｎｍ、金２５０ｎｍの三
層薄膜構造から構成され、エミッタ電極１１およびコン
タクトスルー１８と接触する領域付近では、チタン３０
ｎｍおよび白金２０ｎｍの二層構造となるように設計さ
れている。エミッタ電極１１とエミッタコンタクトパッ
ド１５の接着およびコンタクトスルー１８とゲートコン
タクトパッド１９の接着はコンタクトパッドが存在しな
い領域でエミッタ電極１１と構造基板１０を接着させた
力を利用して押さえつけることによって実現することが
できる。このようにコンタクトパッド１５および１９を
構造基板１０の同じ面に設けたことによって、構造基板
１０の裏側（くぼみ１７がない面）をパッケージに接着
し、他方の表面側からコンタクトパッドを介してエミッ
タ電極１１およびゲート電極１３とパッケージのピンと
の電気的接続を行うことが可能となり、デバイスの実装
が容易となる。
ミッタ電極１１およびゲート電極１３に外部から電気信
号を供給する手段となるエミッタコンタクトパッド１５
およびゲートコンタクトパッド１９が設けられている。
エミッタコンタクトパッド１５はその一部でエミッタ電
極１１の一部と直接接触している。また、ゲートコンタ
クトパッド１９は絶縁膜１２の一部に設けられたホール
を介してゲート電極１３と電気的に接続するコンタクト
スルー１８に接触している。コンタクトスルー１８とエ
ミッタ電極１１は電気的に分離させられているために、
ゲート電極１３とエミッタ電極１１にそれぞれ異なる電
気信号を与えることが可能である。これら構造基板１０
上に設けられたコンタクトパッド１５および１９は、例
えばチタン３０ｎｍ、白金２０ｎｍ、金２５０ｎｍの三
層薄膜構造から構成され、エミッタ電極１１およびコン
タクトスルー１８と接触する領域付近では、チタン３０
ｎｍおよび白金２０ｎｍの二層構造となるように設計さ
れている。エミッタ電極１１とエミッタコンタクトパッ
ド１５の接着およびコンタクトスルー１８とゲートコン
タクトパッド１９の接着はコンタクトパッドが存在しな
い領域でエミッタ電極１１と構造基板１０を接着させた
力を利用して押さえつけることによって実現することが
できる。このようにコンタクトパッド１５および１９を
構造基板１０の同じ面に設けたことによって、構造基板
１０の裏側（くぼみ１７がない面）をパッケージに接着
し、他方の表面側からコンタクトパッドを介してエミッ
タ電極１１およびゲート電極１３とパッケージのピンと
の電気的接続を行うことが可能となり、デバイスの実装
が容易となる。
【００２４】なお、ゲート電極１３は、この例ではシリ
コンを示したが種々の金属材料を用いて構成することも
可能である。さらに、くぼみ１７を構造基板１０を貫通
する穴として作製しても本実施形態と同様の効果を得る
ことができる。このとき、空気スルー１２０を設ける必
要がないが、この貫通穴に接続する形でパッケージ内部
あるいは表面にデバイスチップ外部の雰囲気と接続する
構造を設けることが必要である。また、ここには支持構
造体１６として全てがつながった枠構造を示したが、枠
構造の一部（複数個でも良い）が薄くなった構造におい
ても本発明と同様の効果を得ることができるならば本発
明に含まれるものである。さらに、支持構造体１６の枠
構造の中に梁構造（複数も可）を設けるとさらに支持構
造体１６の機械的強度を増大させることが可能である。
この場合、枠組みの中に作製された梁構造と重ならない
ように電流放射領域１４のエミッター電極先端を作製し
なければいけないために、デバイス全体の寸法が少し増
大するという欠点がある。よって、デバイスの使用環境
をみて、梁構造を設けるかどうかを決定することが必要
である。
コンを示したが種々の金属材料を用いて構成することも
可能である。さらに、くぼみ１７を構造基板１０を貫通
する穴として作製しても本実施形態と同様の効果を得る
ことができる。このとき、空気スルー１２０を設ける必
要がないが、この貫通穴に接続する形でパッケージ内部
あるいは表面にデバイスチップ外部の雰囲気と接続する
構造を設けることが必要である。また、ここには支持構
造体１６として全てがつながった枠構造を示したが、枠
構造の一部（複数個でも良い）が薄くなった構造におい
ても本発明と同様の効果を得ることができるならば本発
明に含まれるものである。さらに、支持構造体１６の枠
構造の中に梁構造（複数も可）を設けるとさらに支持構
造体１６の機械的強度を増大させることが可能である。
この場合、枠組みの中に作製された梁構造と重ならない
ように電流放射領域１４のエミッター電極先端を作製し
なければいけないために、デバイス全体の寸法が少し増
大するという欠点がある。よって、デバイスの使用環境
をみて、梁構造を設けるかどうかを決定することが必要
である。
【００２５】図３は図１，図２に示した第１の実施形態
の製造方法を工程純に示す断面図である。なお、これら
の図で図１と同じ符号をもつものは同じ構成要素を示す
ものである。先ず、図３（ａ）のように、シリコン基板
２０の上に酸化膜２１を設け、例えば１μｍ×１μｍの
開口部を設ける。この試料をＫＯＨあるいはヒドラジン
等の異方性を示すエッチング液を用いてシリコン基板２
０をエッチングして逆三角錐の形状をもつモールド穴２
２を作製する。続いて、図３（ｂ）のように、モールド
穴２２が設けられた主面の側の酸化膜２１をパターニン
グして酸化膜１３２を形成する。この酸化膜１３２をマ
スクにしてボロンを高濃度に拡散してボロン拡散層２３
を形成する。このボロンの高濃度の拡散には、例えば固
体ソースをモールド穴２２が設けられた面側に対向させ
て配置し、窒素ガスおよび窒素ガス流量の３〜１０％程
度の酸素を混入した雰囲気中で約１２００℃の温度で加
熱することによって実現することができる。この作製方
法において、非常に特徴的なことは、モールド穴２２の
底の尖った領域においてボロンの濃度が低く抑えられて
拡散が起こることである。この結果、モールド穴２２の
先端部においてボロン濃度がかなり低い形状が得られ
る。以上の固体ソース拡散の後にはボロンを高濃度に含
んだ約１００ｎｍ程度の厚さの酸化膜によってシリコン
基板２０の表面が覆われているため，これをフッ酸を用
いて完全に除去することが必要である。この工程は先端
が尖った形状をもつエミッタ電極を作製するために重要
なものである。それは、ボロンを含んだ酸化膜は融点が
低く、特に水素含む雰囲気中では約７００℃程度で流動
するために後続の図３（ｃ）の酸化プロセスにおいてモ
ールド穴２２の先端が丸くなってしまうからである。
の製造方法を工程純に示す断面図である。なお、これら
の図で図１と同じ符号をもつものは同じ構成要素を示す
ものである。先ず、図３（ａ）のように、シリコン基板
２０の上に酸化膜２１を設け、例えば１μｍ×１μｍの
開口部を設ける。この試料をＫＯＨあるいはヒドラジン
等の異方性を示すエッチング液を用いてシリコン基板２
０をエッチングして逆三角錐の形状をもつモールド穴２
２を作製する。続いて、図３（ｂ）のように、モールド
穴２２が設けられた主面の側の酸化膜２１をパターニン
グして酸化膜１３２を形成する。この酸化膜１３２をマ
スクにしてボロンを高濃度に拡散してボロン拡散層２３
を形成する。このボロンの高濃度の拡散には、例えば固
体ソースをモールド穴２２が設けられた面側に対向させ
て配置し、窒素ガスおよび窒素ガス流量の３〜１０％程
度の酸素を混入した雰囲気中で約１２００℃の温度で加
熱することによって実現することができる。この作製方
法において、非常に特徴的なことは、モールド穴２２の
底の尖った領域においてボロンの濃度が低く抑えられて
拡散が起こることである。この結果、モールド穴２２の
先端部においてボロン濃度がかなり低い形状が得られ
る。以上の固体ソース拡散の後にはボロンを高濃度に含
んだ約１００ｎｍ程度の厚さの酸化膜によってシリコン
基板２０の表面が覆われているため，これをフッ酸を用
いて完全に除去することが必要である。この工程は先端
が尖った形状をもつエミッタ電極を作製するために重要
なものである。それは、ボロンを含んだ酸化膜は融点が
低く、特に水素含む雰囲気中では約７００℃程度で流動
するために後続の図３（ｃ）の酸化プロセスにおいてモ
ールド穴２２の先端が丸くなってしまうからである。
【００２６】次いで、図３（ｃ）のように、試料を電気
炉にいれて酸化膜２４および基板２０の裏面に酸化膜１
３１を形成する。酸化膜２４，１３１の厚さは例えば３
００ｎｍ程度である。続いて、酸化膜２４の一部にボロ
ン拡散層２３に達するスルーホール１３０を作製する。
さらに、図３（ｄ）のように酸化膜２４の上にエミッタ
電極１１を堆積し、この一部をパターニングしてコンタ
クトスルー１８を分離する。次いで、図３（ｅ）のよう
に、ガラス構造基板１０をシリコン基板２０のエミッタ
ー電極１１が作製された面側に接触させて互いに接着す
る。
炉にいれて酸化膜２４および基板２０の裏面に酸化膜１
３１を形成する。酸化膜２４，１３１の厚さは例えば３
００ｎｍ程度である。続いて、酸化膜２４の一部にボロ
ン拡散層２３に達するスルーホール１３０を作製する。
さらに、図３（ｄ）のように酸化膜２４の上にエミッタ
電極１１を堆積し、この一部をパターニングしてコンタ
クトスルー１８を分離する。次いで、図３（ｅ）のよう
に、ガラス構造基板１０をシリコン基板２０のエミッタ
ー電極１１が作製された面側に接触させて互いに接着す
る。
【００２７】このガラス構造基板１０は、その製造工程
の図示は省略するが、前記シリコン基板２０とは別に用
意されたガラス基板１０の表面にくぼみ１７および空気
スルー１２０を作製する。これには例えばレジストを塗
布した表面にくぼみ１７および空気スルー１２０の領域
に相当する開口を設けて、フッ酸等のガラスエッチング
液でガラスを約２０μｍエッチングすることによって得
られる。次いで、ガラス基板１０にチタン３０ｎｍ、白
金２０ｎｍ、金２５０ｎｍを堆積させ、コンタクトパッ
ド１５および１９の領域をパターニングする。さらに、
コンタクトパッド１５および１９の中でエミッタ電極１
１およびコンタクトスルー１９と接触する領域の金を除
去する。
の図示は省略するが、前記シリコン基板２０とは別に用
意されたガラス基板１０の表面にくぼみ１７および空気
スルー１２０を作製する。これには例えばレジストを塗
布した表面にくぼみ１７および空気スルー１２０の領域
に相当する開口を設けて、フッ酸等のガラスエッチング
液でガラスを約２０μｍエッチングすることによって得
られる。次いで、ガラス基板１０にチタン３０ｎｍ、白
金２０ｎｍ、金２５０ｎｍを堆積させ、コンタクトパッ
ド１５および１９の領域をパターニングする。さらに、
コンタクトパッド１５および１９の中でエミッタ電極１
１およびコンタクトスルー１９と接触する領域の金を除
去する。
【００２８】ここで、ガラス構造基板１０がガラス材料
であるときには、ガラスとエミッタ電極１１との間に静
電接着法を用いて強固な接着を実現することが可能であ
る。この静電接着法では接着強度が大きく、また接着剤
を用いないためにガラス構造基板１０の内部に作製され
たくぼみ１７および空気スルー１２０の内部に接着剤が
流れ込まないという特長がある。ボロシリケートガラス
（例えばコーニング＃７７４０）をガラス構造基板１０
として用い、エミッタ電極１１の材料としてタンタル、
モリブデン等を用いると熱膨張係数が近いために歪みの
小さなデバイスを得ることが可能である。熱膨張係数が
ガラス基板と大きく異なるエミッタ電極材料を用いると
きには、図３（ｃ）においてエミッタ電極１１を作製し
た後にタンタル、モリブデン、あるいはシリコン等の膜
を接着層として形成するとガラス基板との接着が容易と
なる。このように、くぼみ１７および空気スルー１２０
によってデバイス内部がデバイスの外部雰囲気と接続し
ているために、この接着工程の間に空気が閉じこめられ
るという問題が解決されることになり、接着工程が従来
よりもはるかに容易になる。
であるときには、ガラスとエミッタ電極１１との間に静
電接着法を用いて強固な接着を実現することが可能であ
る。この静電接着法では接着強度が大きく、また接着剤
を用いないためにガラス構造基板１０の内部に作製され
たくぼみ１７および空気スルー１２０の内部に接着剤が
流れ込まないという特長がある。ボロシリケートガラス
（例えばコーニング＃７７４０）をガラス構造基板１０
として用い、エミッタ電極１１の材料としてタンタル、
モリブデン等を用いると熱膨張係数が近いために歪みの
小さなデバイスを得ることが可能である。熱膨張係数が
ガラス基板と大きく異なるエミッタ電極材料を用いると
きには、図３（ｃ）においてエミッタ電極１１を作製し
た後にタンタル、モリブデン、あるいはシリコン等の膜
を接着層として形成するとガラス基板との接着が容易と
なる。このように、くぼみ１７および空気スルー１２０
によってデバイス内部がデバイスの外部雰囲気と接続し
ているために、この接着工程の間に空気が閉じこめられ
るという問題が解決されることになり、接着工程が従来
よりもはるかに容易になる。
【００２９】続いて、図３（ｅ）のように、シリコン基
板２０の裏面の酸化膜１３１をパターニングして酸化膜
１３３を作製する。そして、図３（ｆ）のように作製し
た試料を例えばヒドラジン溶液等のエッチング速度がボ
ロン濃度および結晶面方位に依存性する溶液中に置くこ
とによってシリコン基板２０を除去する。この結果、初
期の基板面から５４．７度の傾斜をもった側壁をもつ支
持構造体１６およびゲート電極となるボロン拡散層２３
からなる構造を得ることができる。このシリコン基板２
０をエッチングする工程において、シリコンエッチング
液が空気スルー１２０を通してくぼみ１７の内部に流入
しないように、試料を適当なホルダに包んだり、あるい
は空気スルーの外側の入り口にシリコーン等を塗る方法
が用いられる。ホルダの場合には空気スルーの穴をホル
ダの内部に設けた空気穴を通してエッチング液の外に通
ずるようにすることが可能である。一方、シリコーンを
塗った場合には、くぼみ１７の内部に空気が閉じこめら
れ、エッチング液が加熱されたときに空気の膨張が生じ
る。しかし、この例では、エミッタ電極、絶縁膜、ゲー
ト電極の三層構造によって構造体の機械強度を増大させ
ることができるために、デバイスの破壊が起こり難くな
る。また、仮に多数の電流放射領域を作製することが必
要でこの三層構造を広くしたためにデバイスが破壊され
やすくなったときでも、前記した支持構造体１６の間に
梁構造体を設けることによって充分な機械強度をもつデ
バイスを供給することが可能である。最後に、酸化膜２
４の尖った先端をフッ酸を用いて除去しエミッタ電極１
１の先端を露出させる。
板２０の裏面の酸化膜１３１をパターニングして酸化膜
１３３を作製する。そして、図３（ｆ）のように作製し
た試料を例えばヒドラジン溶液等のエッチング速度がボ
ロン濃度および結晶面方位に依存性する溶液中に置くこ
とによってシリコン基板２０を除去する。この結果、初
期の基板面から５４．７度の傾斜をもった側壁をもつ支
持構造体１６およびゲート電極となるボロン拡散層２３
からなる構造を得ることができる。このシリコン基板２
０をエッチングする工程において、シリコンエッチング
液が空気スルー１２０を通してくぼみ１７の内部に流入
しないように、試料を適当なホルダに包んだり、あるい
は空気スルーの外側の入り口にシリコーン等を塗る方法
が用いられる。ホルダの場合には空気スルーの穴をホル
ダの内部に設けた空気穴を通してエッチング液の外に通
ずるようにすることが可能である。一方、シリコーンを
塗った場合には、くぼみ１７の内部に空気が閉じこめら
れ、エッチング液が加熱されたときに空気の膨張が生じ
る。しかし、この例では、エミッタ電極、絶縁膜、ゲー
ト電極の三層構造によって構造体の機械強度を増大させ
ることができるために、デバイスの破壊が起こり難くな
る。また、仮に多数の電流放射領域を作製することが必
要でこの三層構造を広くしたためにデバイスが破壊され
やすくなったときでも、前記した支持構造体１６の間に
梁構造体を設けることによって充分な機械強度をもつデ
バイスを供給することが可能である。最後に、酸化膜２
４の尖った先端をフッ酸を用いて除去しエミッタ電極１
１の先端を露出させる。
【００３０】この製造方法では支持構造体１６の厚さが
シリコン基板２０の厚さと同じ例を述べたが、シリコン
基板２０が厚い場合には支持構造体１６の占める面積が
大きくなるという問題がある。このため、シリコン基板
２０を研磨して薄くする工程を例えば図３（ｂ）の工程
が終了した段階に追加することも可能である。また、こ
の製造方法では、従来例のように酸化膜とエミッタ電極
の薄い二層構造がガラス基板の上に接着されるものでは
なく、これに代わって、ゲート電極、酸化膜、エミッタ
電極からなるより厚い三層構造体が形成され、さらにこ
の三層構造体の周囲には厚い支持構造体が設けられてい
るためにより強度の大きなデバイス構造が得られること
になる。さらに、支持構造体１６は壊れやすいエミッタ
電極の先端（電流放射領域）よりも平面的に高い位置に
あって電流放射領域を囲んでいるために、試料作成中に
誤って電流放射領域を傷つけることを防止することがで
きる。
シリコン基板２０の厚さと同じ例を述べたが、シリコン
基板２０が厚い場合には支持構造体１６の占める面積が
大きくなるという問題がある。このため、シリコン基板
２０を研磨して薄くする工程を例えば図３（ｂ）の工程
が終了した段階に追加することも可能である。また、こ
の製造方法では、従来例のように酸化膜とエミッタ電極
の薄い二層構造がガラス基板の上に接着されるものでは
なく、これに代わって、ゲート電極、酸化膜、エミッタ
電極からなるより厚い三層構造体が形成され、さらにこ
の三層構造体の周囲には厚い支持構造体が設けられてい
るためにより強度の大きなデバイス構造が得られること
になる。さらに、支持構造体１６は壊れやすいエミッタ
電極の先端（電流放射領域）よりも平面的に高い位置に
あって電流放射領域を囲んでいるために、試料作成中に
誤って電流放射領域を傷つけることを防止することがで
きる。
【００３１】以上、図３に示した製造方法は、ボロン拡
散層を形成する際にモールド穴の中にボロン拡散を防ぐ
マスクを設けないデバイスの製造方法を示したものであ
った。この製造方法は凹凸のあるモールド穴の付近でパ
ターニングを行わないためにデバイスの作製工程を非常
に簡略化できること、およびエミッタ電極の尖った先端
の周囲に非常に小さな開口寸法（直径０．５μｍ程度）
をもったゲート電極を作製できるという利点がある。ゲ
ート電極の開口寸法を小さくできることはデバイスに印
加する電圧を小さくできるという大きな利点を生むもの
である。
散層を形成する際にモールド穴の中にボロン拡散を防ぐ
マスクを設けないデバイスの製造方法を示したものであ
った。この製造方法は凹凸のあるモールド穴の付近でパ
ターニングを行わないためにデバイスの作製工程を非常
に簡略化できること、およびエミッタ電極の尖った先端
の周囲に非常に小さな開口寸法（直径０．５μｍ程度）
をもったゲート電極を作製できるという利点がある。ゲ
ート電極の開口寸法を小さくできることはデバイスに印
加する電圧を小さくできるという大きな利点を生むもの
である。
【００３２】図４は本発明のデバイスの第２の実施形態
の断面図である。図１および図２に示した第１の実施形
態と同じ符号は同じ構成要素を示す。この実施形態は、
第１実施形態とエミッタコンタクトパッドおよびゲート
コンタクトパッドの構造が異なっている。図４の左側に
設けられたエミッタコンタクトパッド１４２は、エミッ
タ電極１１を支持構造体１６の外側に延長することによ
って作製される。一方、右側に設けられたゲートコンタ
クトパッド１４１は、絶縁膜１２の上に設けられたゲー
ト電極１３を支持構造体１６より外側に延ばすことによ
って作製される。パッケージのピンにはこれらのコンタ
クトパッドより例えばアルミの細線を接続することによ
って電気的な接続を行うことができる。この実施形態で
は、構造基板１０の上に金属膜パターンを作製する必要
がないこと、およびゲート電極１３との電気的接続をと
るためのコンタクトスルー１８を作製する必要がないこ
とから製作の手間が簡略化できる。
の断面図である。図１および図２に示した第１の実施形
態と同じ符号は同じ構成要素を示す。この実施形態は、
第１実施形態とエミッタコンタクトパッドおよびゲート
コンタクトパッドの構造が異なっている。図４の左側に
設けられたエミッタコンタクトパッド１４２は、エミッ
タ電極１１を支持構造体１６の外側に延長することによ
って作製される。一方、右側に設けられたゲートコンタ
クトパッド１４１は、絶縁膜１２の上に設けられたゲー
ト電極１３を支持構造体１６より外側に延ばすことによ
って作製される。パッケージのピンにはこれらのコンタ
クトパッドより例えばアルミの細線を接続することによ
って電気的な接続を行うことができる。この実施形態で
は、構造基板１０の上に金属膜パターンを作製する必要
がないこと、およびゲート電極１３との電気的接続をと
るためのコンタクトスルー１８を作製する必要がないこ
とから製作の手間が簡略化できる。
【００３３】図５はこの第２の実施形態の製造方法を工
程順に示す図である。なお、同図において図３と同じ符
号は同じ構成要素を示すものである。先ず、図５（ａ）
のように、シリコン基板２０の上に酸化膜２１を設け、
例えば１μｍ×１μｍの開口部を設ける。この試料をＫ
ＯＨあるいはヒドラジン等の異方性を示すエッチング液
を用いてシリコン基板２０をエッチングして逆三角錐の
形状をもつモールド穴２２を作製する。続いて、図５
（ｂ）のように、モールド穴２２が設けられた主面の側
の酸化膜２１をパターニングして酸化膜１５１を形成す
る。この酸化膜１５１をマスクにしてボロンを高濃度に
拡散してボロン拡散層２３を作製する。固体ソースを用
いたボロンの拡散工程の後にモールド穴２２の中に作製
された酸化膜をフッ酸を用いて完全に除去する。
程順に示す図である。なお、同図において図３と同じ符
号は同じ構成要素を示すものである。先ず、図５（ａ）
のように、シリコン基板２０の上に酸化膜２１を設け、
例えば１μｍ×１μｍの開口部を設ける。この試料をＫ
ＯＨあるいはヒドラジン等の異方性を示すエッチング液
を用いてシリコン基板２０をエッチングして逆三角錐の
形状をもつモールド穴２２を作製する。続いて、図５
（ｂ）のように、モールド穴２２が設けられた主面の側
の酸化膜２１をパターニングして酸化膜１５１を形成す
る。この酸化膜１５１をマスクにしてボロンを高濃度に
拡散してボロン拡散層２３を作製する。固体ソースを用
いたボロンの拡散工程の後にモールド穴２２の中に作製
された酸化膜をフッ酸を用いて完全に除去する。
【００３４】次いで、図５（ｃ）のように、試料を電気
炉にいれて酸化膜２４および基板２０の裏面に酸化膜１
５２を形成する。酸化膜２４，１５２の厚さは例えば３
００ｎｍ程度である。さらに、図５（ｄ）のように酸化
膜２４の上にエミッタ電極１１を堆積する。また、以上
のシリコンプロセスとは別にくぼみ１７および空気スル
ー１２０を設けたガラス構造基板１０を作製しておき、
図５（ｅ）のように、このガラス構造基板１０をシリコ
ン基板２０のエミッタ電極１１が作製された面側に接触
させて互いに接着する。構造基板１０がガラス材料であ
るときには、ガラスとエミッタ電極１１との間に静電接
着法を用いて強固な接着を実現することが可能である。
このときくぼみ１７および空気スルー１２０によってデ
バイス内部がデバイスの外部雰囲気と接続しているため
に、この接着工程の間に空気が閉じこめられるという問
題が解消される。さらに、シリコン基板２０の裏面の酸
化膜１５２をパターニングして酸化膜１５３を作製す
る。そして、図５（ｆ）のように、作製した試料を例え
ばヒドラジン溶液等のエッチング速度がボロン濃度およ
び結晶面方位に依存性する溶液中に載置することによっ
てシリコン基板２０を除去する。この結果、初期の基板
面から５４．７度の傾斜をもった側壁をもつ支持構造体
１６およびゲート電極となるボロン拡散層２３からなる
構造を得ることができる。同時にコンタクトパッド１４
１および１４２が作製できる。最後に、試料の酸化膜２
４の尖った先端をフッ酸を用いて除去しエミッタ電極１
１の先端を露出させる。
炉にいれて酸化膜２４および基板２０の裏面に酸化膜１
５２を形成する。酸化膜２４，１５２の厚さは例えば３
００ｎｍ程度である。さらに、図５（ｄ）のように酸化
膜２４の上にエミッタ電極１１を堆積する。また、以上
のシリコンプロセスとは別にくぼみ１７および空気スル
ー１２０を設けたガラス構造基板１０を作製しておき、
図５（ｅ）のように、このガラス構造基板１０をシリコ
ン基板２０のエミッタ電極１１が作製された面側に接触
させて互いに接着する。構造基板１０がガラス材料であ
るときには、ガラスとエミッタ電極１１との間に静電接
着法を用いて強固な接着を実現することが可能である。
このときくぼみ１７および空気スルー１２０によってデ
バイス内部がデバイスの外部雰囲気と接続しているため
に、この接着工程の間に空気が閉じこめられるという問
題が解消される。さらに、シリコン基板２０の裏面の酸
化膜１５２をパターニングして酸化膜１５３を作製す
る。そして、図５（ｆ）のように、作製した試料を例え
ばヒドラジン溶液等のエッチング速度がボロン濃度およ
び結晶面方位に依存性する溶液中に載置することによっ
てシリコン基板２０を除去する。この結果、初期の基板
面から５４．７度の傾斜をもった側壁をもつ支持構造体
１６およびゲート電極となるボロン拡散層２３からなる
構造を得ることができる。同時にコンタクトパッド１４
１および１４２が作製できる。最後に、試料の酸化膜２
４の尖った先端をフッ酸を用いて除去しエミッタ電極１
１の先端を露出させる。
【００３５】第６図は本発明の第３の実施形態を示す図
である。前記各実施形態と同じ符号は同じ構成要素を示
す。この実施形態は第１の実施形態と支持構造体の構
造、およびエミッタコンタクトパッドおよびゲートコン
タクトパッドの構造が異なっている。同図のように、支
持構造体１６０はゲート電極１３と同様に不純物が拡散
されたシリコンからなっている。このため、支持構造体
１６０とゲート電極１３は電気的に小さな抵抗で導通し
ている。また後で述べるように支持構造体１６０の側面
の形状はこの不純物の拡散形状と似たものである。この
実施形態では、パッケージのピンとゲート電極１３への
電気的な導通は支持構造体１６０の上側に設けられた平
坦な領域にアルミワイヤをボンディングすることによっ
てなされる。一方、同図の左側に設けられたエミッタコ
ンタクトパッド１６１は、エミッタ電極１１を支持構造
体１６０の外側に延長することによって作製されてい
る。この実施形態では、第１の実施形態のようなゲート
コンタクトパッドに付随する複雑な構造が必要でなく、
非常に構造が簡略化できる。
である。前記各実施形態と同じ符号は同じ構成要素を示
す。この実施形態は第１の実施形態と支持構造体の構
造、およびエミッタコンタクトパッドおよびゲートコン
タクトパッドの構造が異なっている。同図のように、支
持構造体１６０はゲート電極１３と同様に不純物が拡散
されたシリコンからなっている。このため、支持構造体
１６０とゲート電極１３は電気的に小さな抵抗で導通し
ている。また後で述べるように支持構造体１６０の側面
の形状はこの不純物の拡散形状と似たものである。この
実施形態では、パッケージのピンとゲート電極１３への
電気的な導通は支持構造体１６０の上側に設けられた平
坦な領域にアルミワイヤをボンディングすることによっ
てなされる。一方、同図の左側に設けられたエミッタコ
ンタクトパッド１６１は、エミッタ電極１１を支持構造
体１６０の外側に延長することによって作製されてい
る。この実施形態では、第１の実施形態のようなゲート
コンタクトパッドに付随する複雑な構造が必要でなく、
非常に構造が簡略化できる。
【００３６】第７図は第２の実施形態の構造を作製する
ための製造方法を工程順に示す図である。なお、同図に
おいて図３と同じ符号をもつものは同じ構成要素を示す
ものである。先ず、図７（ａ）のように、シリコン基板
２０に酸化膜１７１を設け、これに支持構造体の領域に
相当する開口を設ける。この開口部にボロン拡散層１７
２を作製する。このボロン拡散として例えば１２００℃
で約２０時間の拡散を行うと、約２０μｍの厚さをもつ
支持構造体を作製することが可能である。次いで、図７
（ｂ）のように、前記酸化膜１７１を除去してシリコン
基板２０の上に酸化膜２１を設け、例えば１μｍ×１μ
ｍの開口部を設ける。この試料をＫＯＨあるいはヒドラ
ジン等の異方性を示すエッチング液を用いてシリコン基
板２０をエッチングして逆三角錐の形状をもつモールド
穴２２を作製する。続いて、図７（ｃ）のように、モー
ルド穴２２が設けられた主面の側の酸化膜２１をパター
ニングして酸化膜１７３を形成する。この酸化膜１７３
をマスクにしてボロンを高濃度に拡散してボロン拡散層
２３を作製する。このボロン拡散は、例えば１２００℃
で２０分程度の条件である。このとき、１μｍ程度の厚
さをもつゲート電極を作製することができる。固体ソー
スを用いたボロンの拡散工程の後にモールド穴２２の中
に作製された酸化膜をフッ酸を用いて完全に除去する。
ための製造方法を工程順に示す図である。なお、同図に
おいて図３と同じ符号をもつものは同じ構成要素を示す
ものである。先ず、図７（ａ）のように、シリコン基板
２０に酸化膜１７１を設け、これに支持構造体の領域に
相当する開口を設ける。この開口部にボロン拡散層１７
２を作製する。このボロン拡散として例えば１２００℃
で約２０時間の拡散を行うと、約２０μｍの厚さをもつ
支持構造体を作製することが可能である。次いで、図７
（ｂ）のように、前記酸化膜１７１を除去してシリコン
基板２０の上に酸化膜２１を設け、例えば１μｍ×１μ
ｍの開口部を設ける。この試料をＫＯＨあるいはヒドラ
ジン等の異方性を示すエッチング液を用いてシリコン基
板２０をエッチングして逆三角錐の形状をもつモールド
穴２２を作製する。続いて、図７（ｃ）のように、モー
ルド穴２２が設けられた主面の側の酸化膜２１をパター
ニングして酸化膜１７３を形成する。この酸化膜１７３
をマスクにしてボロンを高濃度に拡散してボロン拡散層
２３を作製する。このボロン拡散は、例えば１２００℃
で２０分程度の条件である。このとき、１μｍ程度の厚
さをもつゲート電極を作製することができる。固体ソー
スを用いたボロンの拡散工程の後にモールド穴２２の中
に作製された酸化膜をフッ酸を用いて完全に除去する。
【００３７】次いで、図７（ｄ）のように試料を電気炉
にいれて酸化膜２４を形成する。酸化膜の厚さは例えば
３００ｎｍ程度である。さらに、図７（ｅ）のように酸
化膜２４の上にエミッタ電極１１を堆積する。また、以
上のシリコンプロセスと別にくぼみ１７および空気スル
ー１２０を形成したガラス構造基板１０を作製し、これ
を図７（ｆ）のようにシリコン基板２０のエミッタ電極
１１が作製された面側に接触させて互いに接着する。構
造基板１０がガラス材料であるときには、ガラスとエミ
ッタ電極１１との間に静電接着法を用いて強固な接着を
実現することが可能である。くぼみ１７および空気スル
ー１２０によってデバイス内部がデバイスの外部雰囲気
と接続しているために、この接着工程の間に空気が閉じ
こめられるという問題がなくなる。
にいれて酸化膜２４を形成する。酸化膜の厚さは例えば
３００ｎｍ程度である。さらに、図７（ｅ）のように酸
化膜２４の上にエミッタ電極１１を堆積する。また、以
上のシリコンプロセスと別にくぼみ１７および空気スル
ー１２０を形成したガラス構造基板１０を作製し、これ
を図７（ｆ）のようにシリコン基板２０のエミッタ電極
１１が作製された面側に接触させて互いに接着する。構
造基板１０がガラス材料であるときには、ガラスとエミ
ッタ電極１１との間に静電接着法を用いて強固な接着を
実現することが可能である。くぼみ１７および空気スル
ー１２０によってデバイス内部がデバイスの外部雰囲気
と接続しているために、この接着工程の間に空気が閉じ
こめられるという問題がなくなる。
【００３８】次いで、図７（ｇ）のように、作製した試
料を例えばヒドラジン溶液等のエッチング速度がボロン
濃度に依存性する溶液中に置くことによってシリコン基
板２０を除去する。この結果、支持構造体１６およびゲ
ート電極となるボロン拡散層２３からなる構造を得るこ
とができる。同時にエミッターコンタクトパッド１６１
が作製できる。最後に、試料の酸化膜２４の尖った先端
をフッ酸を用いて除去しエミッタ電極１１の先端を露出
させる。このようにして作製したデバイスは、第７図
（ｇ）のように、デバイス右側にもエミッタ電極１１が
支持構造体１６の外側に延びた構造となっている。この
ため、エミッタコンタクトパッド１６１は支持構造体１
６の外側の周囲の任意の位置に設定することができる。
料を例えばヒドラジン溶液等のエッチング速度がボロン
濃度に依存性する溶液中に置くことによってシリコン基
板２０を除去する。この結果、支持構造体１６およびゲ
ート電極となるボロン拡散層２３からなる構造を得るこ
とができる。同時にエミッターコンタクトパッド１６１
が作製できる。最後に、試料の酸化膜２４の尖った先端
をフッ酸を用いて除去しエミッタ電極１１の先端を露出
させる。このようにして作製したデバイスは、第７図
（ｇ）のように、デバイス右側にもエミッタ電極１１が
支持構造体１６の外側に延びた構造となっている。この
ため、エミッタコンタクトパッド１６１は支持構造体１
６の外側の周囲の任意の位置に設定することができる。
【００３９】この実施形態の製造方法は、前記各実施形
態と異なりシリコン基板の裏面のフォトリソグラフィ工
程を含まない。このため、製造工程がより一層簡略化で
きる。さらに、支持構造体１６の厚さを拡散の深さによ
って制御できるために、シリコン基板の厚さ２０よりも
小さくすることができ、前記したような研磨工程が不要
となる。このため、支持構造体１６の占める領域を狭く
とることが可能であり、また、前記した梁構造体をこの
方法で作製してもデバイス寸法をあまり増大させること
なく機械的強度の大きなデバイスが作製できる。
態と異なりシリコン基板の裏面のフォトリソグラフィ工
程を含まない。このため、製造工程がより一層簡略化で
きる。さらに、支持構造体１６の厚さを拡散の深さによ
って制御できるために、シリコン基板の厚さ２０よりも
小さくすることができ、前記したような研磨工程が不要
となる。このため、支持構造体１６の占める領域を狭く
とることが可能であり、また、前記した梁構造体をこの
方法で作製してもデバイス寸法をあまり増大させること
なく機械的強度の大きなデバイスが作製できる。
【００４０】第８図は本発明のデバイスをパッケージに
実装した状態を示す断面図である。ただし、この実施形
態では、前記各実施形態とはエミッタコンタクトパッド
およびゲートコンタクトパッドの構造が異なっている。
また構造基板の位置および形状が異なっている。すなわ
ち、デバイスチップのシリコン部は、ゲート電極８５、
絶縁膜８７、エミッタ電極８６、および支持基板８４か
ら構成されていることは前記各実施形態と同じである。
コンタクトスルー１８０は図２の構造と同様に絶縁膜の
一部に設けられた穴を介してゲート電極８５に導通され
ている。一方、構造基板８３には中央部に貫通穴が設け
られており、支持基板８４に接着されている。この構造
基板８３にはピン８９ａ，８９ｂが設けられている。デ
バイスの各電極への電気信号の供給は、リード線８８を
介してエミッタ電極８６からピン８９ａへと、コンタク
トスルー１８０からピン８９ｂへの電気的導通によって
なされる。ピン８９ａおよび８９ｂは図に示すように途
中で折れ曲がっておりエミッタ電極８６の電流放射領域
から放出された電子の流れを妨げない構造となってい
る。また、ピン８９ａおよびｂはステム８１に設置され
ており、キャップ８０がデバイスを覆ってステム８１に
接着されている。
実装した状態を示す断面図である。ただし、この実施形
態では、前記各実施形態とはエミッタコンタクトパッド
およびゲートコンタクトパッドの構造が異なっている。
また構造基板の位置および形状が異なっている。すなわ
ち、デバイスチップのシリコン部は、ゲート電極８５、
絶縁膜８７、エミッタ電極８６、および支持基板８４か
ら構成されていることは前記各実施形態と同じである。
コンタクトスルー１８０は図２の構造と同様に絶縁膜の
一部に設けられた穴を介してゲート電極８５に導通され
ている。一方、構造基板８３には中央部に貫通穴が設け
られており、支持基板８４に接着されている。この構造
基板８３にはピン８９ａ，８９ｂが設けられている。デ
バイスの各電極への電気信号の供給は、リード線８８を
介してエミッタ電極８６からピン８９ａへと、コンタク
トスルー１８０からピン８９ｂへの電気的導通によって
なされる。ピン８９ａおよび８９ｂは図に示すように途
中で折れ曲がっておりエミッタ電極８６の電流放射領域
から放出された電子の流れを妨げない構造となってい
る。また、ピン８９ａおよびｂはステム８１に設置され
ており、キャップ８０がデバイスを覆ってステム８１に
接着されている。
【００４１】前記キャップ８０の内部はデバイスが安定
的に動作するように１０ー5 Ｔｏｒｒ以下の真空となる
ように設定されている。ゲート電極８５がエミッタ電極
８６に対して正となるような電圧を印加するとエミッタ
電極の電流放射領域から電子が真空中に引き出される。
そしてゲート電極８５に対して正となる電圧をグリッド
８２に印加する（このためのピンの構造は省略されてい
る）ことによって引き出された電子流をグリッドの内部
の空間を通って上側に移動させることができる。この電
子流を蛍光板あるいはアノード電極に導くことによって
図外のディスプレイや信号の増幅器として利用すること
が可能となる。なお、この例ではピンが１８０度に折れ
曲がった例を示したが、この他に９０度に折れ曲がった
ものや、あるいはまったく折れ曲がっていないもの、等
実際の応用に応じて種々の形状が可能である。
的に動作するように１０ー5 Ｔｏｒｒ以下の真空となる
ように設定されている。ゲート電極８５がエミッタ電極
８６に対して正となるような電圧を印加するとエミッタ
電極の電流放射領域から電子が真空中に引き出される。
そしてゲート電極８５に対して正となる電圧をグリッド
８２に印加する（このためのピンの構造は省略されてい
る）ことによって引き出された電子流をグリッドの内部
の空間を通って上側に移動させることができる。この電
子流を蛍光板あるいはアノード電極に導くことによって
図外のディスプレイや信号の増幅器として利用すること
が可能となる。なお、この例ではピンが１８０度に折れ
曲がった例を示したが、この他に９０度に折れ曲がった
ものや、あるいはまったく折れ曲がっていないもの、等
実際の応用に応じて種々の形状が可能である。
【００４２】この実施形態はパッケージの構造が前記各
実施形態に比べて少し複雑になる点で不利であるが、デ
バイスそのものの構造は非常に簡単である。支持基板８
４に構造基板８３を接着するために接着に起因する歪み
を薄いゲート電極８５、絶縁膜８７、エミッタ電極８６
からなる三層構造体に直接伝えられないために、特性の
揃った安定したデバイスが供給できる。また、構造基板
８３および支持基板８４の接着にあたっても接着剤を用
いても特に問題が生じないために、構造基板の材料の選
択の幅が広くなるという特長もある。
実施形態に比べて少し複雑になる点で不利であるが、デ
バイスそのものの構造は非常に簡単である。支持基板８
４に構造基板８３を接着するために接着に起因する歪み
を薄いゲート電極８５、絶縁膜８７、エミッタ電極８６
からなる三層構造体に直接伝えられないために、特性の
揃った安定したデバイスが供給できる。また、構造基板
８３および支持基板８４の接着にあたっても接着剤を用
いても特に問題が生じないために、構造基板の材料の選
択の幅が広くなるという特長もある。
【００４３】以上の各実施形態の製造方法では、ゲート
電極を作製するのにヒドラジン等のエッチング液におい
て高濃度ボロン層とシリコン基板のエッチング速度が異
なることを利用するものを示した。この方法はゲート電
極の形状を制御し易く、工程が極めて簡単であるため製
造コストが安いという特長がある。しかし本発明はこの
ボロン拡散層ゲート電極の構造に限られることなく、Ｓ
ＯＩ基板を用いた作製方法、電圧印加によるｐｎ接合界
面でのエッチングストップ法、多孔質シリコンを利用し
た作製法、等現在知られている種々の作製方法を利用し
て作製できるシリコンゲート電極をもつ構造を含むもの
である。
電極を作製するのにヒドラジン等のエッチング液におい
て高濃度ボロン層とシリコン基板のエッチング速度が異
なることを利用するものを示した。この方法はゲート電
極の形状を制御し易く、工程が極めて簡単であるため製
造コストが安いという特長がある。しかし本発明はこの
ボロン拡散層ゲート電極の構造に限られることなく、Ｓ
ＯＩ基板を用いた作製方法、電圧印加によるｐｎ接合界
面でのエッチングストップ法、多孔質シリコンを利用し
た作製法、等現在知られている種々の作製方法を利用し
て作製できるシリコンゲート電極をもつ構造を含むもの
である。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、第一の電
極の裏面に接合される構造基板には、電流放射領域の下
部に複数の尖った形状部分を含む領域にわたってくぼみ
が存在するために、従来のように構造基板に接着したり
未接着であったりというばらつきがなくなった。また、
デバイス外気雰囲気とつながる空気スルー構造をくぼみ
に設けたために、くぼみの内部とデバイス外部との圧力
差がなくなった。この結果、構造基板とシリコン基板と
の接着が容易となる。実際に４インチのシリコンウェハ
を用いて４インチのガラス基板に接着した例では、３０
０℃の加熱と２５０Ｖの電圧で５分以内に全ての領域を
接着させることができる。また、閉じこめられた空気層
がなくなったために、薄膜構造体が空気層の膨張によっ
て破壊されるということもなくなる。さらに、閉じこめ
られた空気層がデバイス内部にないために、デバイスを
実装した後にデバイスが破壊してパッケージの真空が悪
化するという問題も解消する。
極の裏面に接合される構造基板には、電流放射領域の下
部に複数の尖った形状部分を含む領域にわたってくぼみ
が存在するために、従来のように構造基板に接着したり
未接着であったりというばらつきがなくなった。また、
デバイス外気雰囲気とつながる空気スルー構造をくぼみ
に設けたために、くぼみの内部とデバイス外部との圧力
差がなくなった。この結果、構造基板とシリコン基板と
の接着が容易となる。実際に４インチのシリコンウェハ
を用いて４インチのガラス基板に接着した例では、３０
０℃の加熱と２５０Ｖの電圧で５分以内に全ての領域を
接着させることができる。また、閉じこめられた空気層
がなくなったために、薄膜構造体が空気層の膨張によっ
て破壊されるということもなくなる。さらに、閉じこめ
られた空気層がデバイス内部にないために、デバイスを
実装した後にデバイスが破壊してパッケージの真空が悪
化するという問題も解消する。
【００４５】また、本発明ではその製造工程において、
従来の薄い二層構造に比べてゲート電極が加わった三層
構造体を取り扱えることができ、かつ周囲の厚い支持構
造体の付加によってデバイスの機械的強度が飛躍的に増
加した結果、デバイスの作製途中にデバイスが破壊され
るという問題が解消される。さらに、デバイスをパッケ
ージに実装した際にエミッタ電極およびゲート電極に電
気信号を供給する種々の手段が存在することにより、デ
バイスの設計の幅が広がり、種々の実際的な応用に依存
してパッケージの寸法等を変更することができ、デバイ
ス設計の幅が拡大する。
従来の薄い二層構造に比べてゲート電極が加わった三層
構造体を取り扱えることができ、かつ周囲の厚い支持構
造体の付加によってデバイスの機械的強度が飛躍的に増
加した結果、デバイスの作製途中にデバイスが破壊され
るという問題が解消される。さらに、デバイスをパッケ
ージに実装した際にエミッタ電極およびゲート電極に電
気信号を供給する種々の手段が存在することにより、デ
バイスの設計の幅が広がり、種々の実際的な応用に依存
してパッケージの寸法等を変更することができ、デバイ
ス設計の幅が拡大する。
【００４６】さらに、本発明のデバイスでは、ゲート電
極とエミッタ電極先端との相対的な位置関係が歪みを生
じさせる要因が減少したために極めて正確に制御できる
ようになる。実際にモリブデンをエミッタ電極に用いて
試作したデバイスの電気特性を測定した結果、従来１０
０Ｖの電圧を印加したときに１００個のアレイから１０
０μＡ程度の電流であったものが、本発明では４０Ｖの
印加電圧で１００μＡの電流を放出することが確認され
た。その理由として、個々の電流放射領域の特性が良く
揃うようになったために、従来のものよりも多数の電流
放射領域から電子が放出されるようになったものと考え
られる。このように、本発明では小さな印加電圧で大き
な電流を得るデバイスを提供することができる効果があ
る。また、長時間駆動を行っても特に著しいデバイス特
性の劣化はみられず、これはパッケージの真空度が劣化
しなかったことに起因したものであると思われる。
極とエミッタ電極先端との相対的な位置関係が歪みを生
じさせる要因が減少したために極めて正確に制御できる
ようになる。実際にモリブデンをエミッタ電極に用いて
試作したデバイスの電気特性を測定した結果、従来１０
０Ｖの電圧を印加したときに１００個のアレイから１０
０μＡ程度の電流であったものが、本発明では４０Ｖの
印加電圧で１００μＡの電流を放出することが確認され
た。その理由として、個々の電流放射領域の特性が良く
揃うようになったために、従来のものよりも多数の電流
放射領域から電子が放出されるようになったものと考え
られる。このように、本発明では小さな印加電圧で大き
な電流を得るデバイスを提供することができる効果があ
る。また、長時間駆動を行っても特に著しいデバイス特
性の劣化はみられず、これはパッケージの真空度が劣化
しなかったことに起因したものであると思われる。
【図１】本発明の第１の実施形態の平面図である。
【図２】図１のＡＡ線断面図である。
【図３】第１実施形態の製造方法を工程順に示す断面図
である。
である。
【図４】本発明の第２実施形態の断面図である。
【図５】第２実施形態の製造方法を工程順に示す断面図
である。
である。
【図６】本発明の第３実施形態の断面図である。
【図７】第３実施形態の製造方法を工程順に示す断面図
である。
である。
【図８】本発明の第４実施形態の断面図である。
【図９】従来構造の一例を示す断面図である。
【図１０】従来構造の製造方法を工程順に示す断面図で
ある。
ある。
１０ 構造基板 １１ エミッタ電極 １２ 絶縁膜 １３ ゲート電極 １４ 電流放射領域 １５ エミッタコンタクトパッド １６ 支持構造体 １７ くぼみ １８ コンタクトスルー １９ ゲートコンタクトパッド ２０ シリコン基板 ２１ 酸化膜 ２２ モールド穴 ２３ ボロン拡散層 ２４ 酸化膜 ８０ キャップ ８１ ステム ８２ グリッド ８３ 構造基板 ８４ 支持基板 ８５ ゲート電極 ８６ エミッター電極 ８７ 絶縁膜 ８８ リード線 ８９ａ，８９ｂ ピン １２０ 空気スルー １２１ テーパ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−111713（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−254355（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−205614（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−326603（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−310029（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−266832（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−102246（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−12434（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−274123（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 1/30 H01J 19/24 H01J 31/12
Claims (10)
- 【請求項１】 表面に先端を尖らせた形状部分をもち、
その裾部分が隣接する前記先端を尖らせた形状部分と隙
間なくつながっている第一の電極と、この第一の電極の
表面上に前記尖らせた形状部分の先端を除く領域に形成
された絶縁膜と、この絶縁膜上に形成された第二の電極
と、前記第一の電極の裏面に接着され、かつ前記第一の
電極との接着面に前記先端を尖らせた形状部分を複数含
む領域にわたって形成された凹部をもつ構造基板とを備
えることを特徴とする真空マイクロデバイス。 - 【請求項２】 前記構造基板に設けられた凹部の内部が
デバイスの外部雰囲気とつながっている請求項１記載の
真空マイクロデバイス。 - 【請求項３】 前記第二の電極の表面には、前記尖った
形状部分が設けられた領域を囲むように支持構造体が設
けられる請求項１または２記載の真空マイクロデバイ
ス。 - 【請求項４】 前記支持構造体が半導体で形成され、そ
の結晶の（１１１）面からなる側面をもつ請求項３記載
の真空マイクロデバイス。 - 【請求項５】 前記支持構造体が前記第二の電極を形成
する半導体基板と一体でかつ前記第二の電極を形成する
不純物拡散層の一部で構成される請求項３の真空マイク
ロデバイス。 - 【請求項６】 前記構造基板がガラス基板である請求項
１ないし５のいずれか記載の真空マイクロデバイス。 - 【請求項７】 前記第一の電極を前記構造基板上に設け
られた金属電極に接続し、前記第二の電極を絶縁膜に設
けられた穴を介して前記構造基板上に設けられた他の金
属電極に接続し、これらの金属電極を介して前記第一お
よび第二の各電極に電気信号を印加する請求項１ないし
６のいずれか記載の真空マイクロデバイス。 - 【請求項８】 前記構造基板が接着された面と異なる面
側において前記第一の電極および第二の電極のそれぞれ
の一部を露出させ、この露出された領域を介して前記第
一および第二の電極にそれぞれ電気信号を印加する請求
項１ないし５のいずれか記載の真空マイクロデバイス。 - 【請求項９】 前記構造基板が接着された面と異なる面
側において前記第一の電極の一部を露出させ、この露出
された領域を介して前記第一の電極に電気信号を印加
し、また前記第二の電極の上に設けられた前記支持構造
体を介して前記第二の電極に電気信号を印加する請求項
３ないし６のいずれか記載の真空マイクロデバイス。 - 【請求項１０】 前記第一の電極の裏面と、前記第一の
電極から分離されて前記第二電極に接続された電極のそ
れぞれに電気信号を印加する請求項１ないし６のいずれ
か記載の真空マイクロデバイス。
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| JP7190596A JP3079994B2 (ja) | 1996-03-27 | 1996-03-27 | 真空マイクロデバイス |
| US08/824,610 US5834790A (en) | 1996-03-27 | 1997-03-27 | Vacuum microdevice |
| KR1019970010913A KR100438629B1 (ko) | 1996-03-27 | 1997-03-27 | 진공마이크로디바이스 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7190596A JP3079994B2 (ja) | 1996-03-27 | 1996-03-27 | 真空マイクロデバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09259738A JPH09259738A (ja) | 1997-10-03 |
| JP3079994B2 true JP3079994B2 (ja) | 2000-08-21 |
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ID=13474031
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7190596A Expired - Fee Related JP3079994B2 (ja) | 1996-03-27 | 1996-03-27 | 真空マイクロデバイス |
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| JP (1) | JP3079994B2 (ja) |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101904907B1 (ko) | 2018-03-28 | 2018-11-30 | 장은재 | 배관 단열재용 덕트 |
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| JPH10149778A (ja) * | 1996-09-17 | 1998-06-02 | Toshiba Corp | 微小冷陰極管とその駆動方法 |
| KR100568571B1 (ko) * | 1997-05-09 | 2006-04-07 | 시티즌 도케이 가부시키가이샤 | 반도체 패키지의 제조 방법 및 집합 회로 기판 |
| TW483025B (en) * | 2000-10-24 | 2002-04-11 | Nat Science Council | Formation method of metal tip electrode field emission structure |
| US20050016575A1 (en) * | 2003-06-13 | 2005-01-27 | Nalin Kumar | Field emission based thermoelectric device |
| EP1649479B1 (en) * | 2003-07-22 | 2013-09-04 | Yeda Research And Development Co., Ltd. | Electron emission device |
| US7956742B2 (en) | 2003-10-30 | 2011-06-07 | Motedata Inc. | Method and system for storing, retrieving, and managing data for tags |
| US7388488B2 (en) | 2003-10-30 | 2008-06-17 | Peter Lupoli | Method and system for storing, retrieving, and managing data for tags |
| US8946739B2 (en) * | 2005-09-30 | 2015-02-03 | Lateral Research Limited Liability Company | Process to fabricate integrated MWIR emitter |
| JP2014029921A (ja) * | 2012-07-31 | 2014-02-13 | Sony Corp | 半導体基板の処理方法及び半導体基板処理品 |
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| US4916002A (en) * | 1989-01-13 | 1990-04-10 | The Board Of Trustees Of The Leland Jr. University | Microcasting of microminiature tips |
| US5580827A (en) * | 1989-10-10 | 1996-12-03 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Casting sharpened microminiature tips |
| US5100355A (en) * | 1991-06-28 | 1992-03-31 | Bell Communications Research, Inc. | Microminiature tapered all-metal structures |
| JP3021995B2 (ja) * | 1992-01-22 | 2000-03-15 | 三菱電機株式会社 | 表示素子 |
| JPH05205614A (ja) * | 1992-01-23 | 1993-08-13 | Mitsubishi Electric Corp | 電界放出陰極の作製方法 |
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| JPH06111713A (ja) * | 1992-09-29 | 1994-04-22 | Sony Corp | 電子放出素子 |
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| US5394006A (en) * | 1994-01-04 | 1995-02-28 | Industrial Technology Research Institute | Narrow gate opening manufacturing of gated fluid emitters |
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| JP3156903B2 (ja) * | 1994-09-29 | 2001-04-16 | シャープ株式会社 | 電界放出型電子源 |
-
1996
- 1996-03-27 JP JP7190596A patent/JP3079994B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-03-27 KR KR1019970010913A patent/KR100438629B1/ko not_active IP Right Cessation
- 1997-03-27 US US08/824,610 patent/US5834790A/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101904907B1 (ko) | 2018-03-28 | 2018-11-30 | 장은재 | 배관 단열재용 덕트 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5834790A (en) | 1998-11-10 |
| KR970067443A (ko) | 1997-10-13 |
| JPH09259738A (ja) | 1997-10-03 |
| KR100438629B1 (ko) | 2004-09-08 |
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