JP3147595B2 - 電磁波検出装置 - Google Patents
電磁波検出装置Info
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- H01J17/14—Magnetic means for controlling the discharge
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
- G01R23/02—Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、冷陰極電子放出現象と
サイクロトロン共鳴現象とを利用した電磁波検出装置に
関する。
サイクロトロン共鳴現象とを利用した電磁波検出装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、例えばマイクロ波の検出器として
は、受電波を点接触型シリコンダイオードで整流して整
流電位の測定によりマイクロ波の強度を検出するものが
ある。
は、受電波を点接触型シリコンダイオードで整流して整
流電位の測定によりマイクロ波の強度を検出するものが
ある。
【０００３】またサーミスタやボロメータのような熱的
検出器を用いるものもある。しかし、これらの検出器は
特定波長域の電磁波強度の有無検出に用いられ、波長測
定自体を行うことができない。そしてまた高温や放射線
被曝の環境下では、温度特性等が問題となり、その使用
には自ずと限界があった。
検出器を用いるものもある。しかし、これらの検出器は
特定波長域の電磁波強度の有無検出に用いられ、波長測
定自体を行うことができない。そしてまた高温や放射線
被曝の環境下では、温度特性等が問題となり、その使用
には自ずと限界があった。
【０００４】他方、電磁波の波長を検出する装置として
は、例えば光の波長検出装置ではプリズム等を利用した
分光器と光電子倍増管を組み合わせた分光光度計が知ら
れている。またラジオ波等の長波長の検出器では受信機
等を用いて受信電波に応じた振動電流を検出するものも
ある。更にＸ線などの短波長域の検出器では回折格子と
計数管を組み合わせたものも知られている。
は、例えば光の波長検出装置ではプリズム等を利用した
分光器と光電子倍増管を組み合わせた分光光度計が知ら
れている。またラジオ波等の長波長の検出器では受信機
等を用いて受信電波に応じた振動電流を検出するものも
ある。更にＸ線などの短波長域の検出器では回折格子と
計数管を組み合わせたものも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このような波長検出器
は、電磁波の特定波長域における波長測定に適した構造
ではあるが、大掛かりな装置構成を余儀無くされ、超小
型化に不向きな構成である。また、高精度波長測定（高
分解能）が可能であるものの、測定波長域（ダイナミッ
クレンジ）が狭く、同一の検出器でマイクロ波領域から
赤外線領域までの広範囲に亘る波長を測定することはで
きない。
は、電磁波の特定波長域における波長測定に適した構造
ではあるが、大掛かりな装置構成を余儀無くされ、超小
型化に不向きな構成である。また、高精度波長測定（高
分解能）が可能であるものの、測定波長域（ダイナミッ
クレンジ）が狭く、同一の検出器でマイクロ波領域から
赤外線領域までの広範囲に亘る波長を測定することはで
きない。
【０００６】そこで上記問題点に鑑み、本発明の課題
は、耐環境性に優れ、超小型化に適した構造を持ち、マ
イクロ波領域から赤外線領域までの波長測定を可能とす
る電磁波検出装置を提供することにある。
は、耐環境性に優れ、超小型化に適した構造を持ち、マ
イクロ波領域から赤外線領域までの波長測定を可能とす
る電磁波検出装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、冷陰極電子放出機構と到来電磁波（被測
定電磁波）の電場を加速電場とするサイクロトロン共鳴
機構と希薄ガスの電離によるキャリア倍増機構とを利用
するものである。即ち、本発明の第１の手段は、印加さ
れた電位によって電子を放出する冷陰極を備える電子放
出部と、その陰極からの電子を経路真空空間を介して捕
獲する陽極と、その経路真空空間において陰極及び陽極
が作る電界の方向とは略直交する方向に磁界を印加する
磁界印加手段と、経路真空空間に希薄ガスを封じ込める
封止手段とを有しており、磁界印加手段が励磁電流を可
変できる電磁石であることを特徴とする。
に、本発明は、冷陰極電子放出機構と到来電磁波（被測
定電磁波）の電場を加速電場とするサイクロトロン共鳴
機構と希薄ガスの電離によるキャリア倍増機構とを利用
するものである。即ち、本発明の第１の手段は、印加さ
れた電位によって電子を放出する冷陰極を備える電子放
出部と、その陰極からの電子を経路真空空間を介して捕
獲する陽極と、その経路真空空間において陰極及び陽極
が作る電界の方向とは略直交する方向に磁界を印加する
磁界印加手段と、経路真空空間に希薄ガスを封じ込める
封止手段とを有しており、磁界印加手段が励磁電流を可
変できる電磁石であることを特徴とする。
【０００８】また本発明の第２の手段は、印加された電
位によって電子を放出する冷陰極を備える電子放出部、
その陰極からの電子を経路真空空間を介して捕獲する陽
極、その経路真空空間において陰極及び陽極が作る電界
の方向とは略直交する方向に磁界を印加する磁界印加手
段、及び経路真空空間に希薄ガスを封じ込める封止手段
を有する電磁波検出セルが複数個配列されており、各電
磁波検出セルにおける磁界印加手段は互いに直交磁界の
磁束密度がそれぞれ異なる固定磁界を印加する固定磁界
印加手段であることを特徴とする。
位によって電子を放出する冷陰極を備える電子放出部、
その陰極からの電子を経路真空空間を介して捕獲する陽
極、その経路真空空間において陰極及び陽極が作る電界
の方向とは略直交する方向に磁界を印加する磁界印加手
段、及び経路真空空間に希薄ガスを封じ込める封止手段
を有する電磁波検出セルが複数個配列されており、各電
磁波検出セルにおける磁界印加手段は互いに直交磁界の
磁束密度がそれぞれ異なる固定磁界を印加する固定磁界
印加手段であることを特徴とする。
【０００９】上記第１及び第２の手段を半導体プロセス
により実現する構造としては、次のような構造を採用す
ることができる。
により実現する構造としては、次のような構造を採用す
ることができる。
【００１０】即ち、半導体基板上に形成された凹部を有
する絶縁膜と、その絶縁膜上で凹部を挟んだ一方側及び
他方側に形成された陰極及び陽極と、凹部上の陰極側に
形成された制御電極と、陰極，陽極及び制御電極を含む
領域を真空空間とし、これに希薄ガスを封じ込める封止
手段と、陰極及び陽極が作る電界の方向とは略直交する
方向に磁界を印加する磁界印加手段とを有するものであ
る。ここで、陰極及び制御電極は電子放出部を構成して
いる。そして、磁界印加手段は外付け等により半導体基
板の裏面側に設けられた電磁石であってもよいが、半導
体プロセス及び薄膜技術を駆使して一体化微細構造とす
るためには、半導体基板上の絶縁膜内に埋め込み形成さ
れた薄膜電磁石であることが望ましい。
する絶縁膜と、その絶縁膜上で凹部を挟んだ一方側及び
他方側に形成された陰極及び陽極と、凹部上の陰極側に
形成された制御電極と、陰極，陽極及び制御電極を含む
領域を真空空間とし、これに希薄ガスを封じ込める封止
手段と、陰極及び陽極が作る電界の方向とは略直交する
方向に磁界を印加する磁界印加手段とを有するものであ
る。ここで、陰極及び制御電極は電子放出部を構成して
いる。そして、磁界印加手段は外付け等により半導体基
板の裏面側に設けられた電磁石であってもよいが、半導
体プロセス及び薄膜技術を駆使して一体化微細構造とす
るためには、半導体基板上の絶縁膜内に埋め込み形成さ
れた薄膜電磁石であることが望ましい。
【００１１】
【作用】本発明の原理は、電子放出現象により荷電粒子
たる電子を放出させてこれを電界で陽極側へ導きなが
ら、その経路過程で直交磁界によりサイクロトロン回転
させて移動度（移動行程長）を高めると共に、その回転
軌跡の直交磁界の磁束密度で決まるサイクロトロン角周
波数ωc の値が到来電磁波の角周波数ωf の値と一致す
るときに生じるサイクロトロン共鳴現象によって回転電
子に運動エネルギーを繰り返し付与して加速せしめ、こ
の加速電子を希薄ガスに衝突させて電離によりイオン化
させることにより、倍増した電子が陽極で捕獲されると
共にイオン粒子が陰極で捕獲され、サイクロトロン共鳴
時には陽極に非サイクロトロン共鳴時の電子のみによる
電流に比べ多量のピーク電流を得ようとするものであ
る。従って、磁束密度を変えることにより電流ピーク点
が得られるので、そのサイクロトロン角周波数ωc に対
応した到来電磁波の角周波数ωf 、即ち電磁波の波長を
検出することが可能となる。
たる電子を放出させてこれを電界で陽極側へ導きなが
ら、その経路過程で直交磁界によりサイクロトロン回転
させて移動度（移動行程長）を高めると共に、その回転
軌跡の直交磁界の磁束密度で決まるサイクロトロン角周
波数ωc の値が到来電磁波の角周波数ωf の値と一致す
るときに生じるサイクロトロン共鳴現象によって回転電
子に運動エネルギーを繰り返し付与して加速せしめ、こ
の加速電子を希薄ガスに衝突させて電離によりイオン化
させることにより、倍増した電子が陽極で捕獲されると
共にイオン粒子が陰極で捕獲され、サイクロトロン共鳴
時には陽極に非サイクロトロン共鳴時の電子のみによる
電流に比べ多量のピーク電流を得ようとするものであ
る。従って、磁束密度を変えることにより電流ピーク点
が得られるので、そのサイクロトロン角周波数ωc に対
応した到来電磁波の角周波数ωf 、即ち電磁波の波長を
検出することが可能となる。
【００１２】以下、この原理を図１に基づいて説明す
る。電磁波検出装置は、図１（ａ）に示すように、陰極
１とゲート電極（制御電極）２から成る電子放出部及び
陽極３を有している。陰極１は熱陰極ではなく冷陰極で
ある。ゲート電極２の電界により陰極１の界面での仕事
関数との合成ポテンシャル幅が狭くなるので、ショット
キー効果（トンネル効果）により電子が陰極１から引き
出される。ここで陰極１から電界放出される電子の電流
密度ｊ は、次のファウラ・ノードハイムの式（Fowler
-Nordheim equation) で与えられる。
る。電磁波検出装置は、図１（ａ）に示すように、陰極
１とゲート電極（制御電極）２から成る電子放出部及び
陽極３を有している。陰極１は熱陰極ではなく冷陰極で
ある。ゲート電極２の電界により陰極１の界面での仕事
関数との合成ポテンシャル幅が狭くなるので、ショット
キー効果（トンネル効果）により電子が陰極１から引き
出される。ここで陰極１から電界放出される電子の電流
密度ｊ は、次のファウラ・ノードハイムの式（Fowler
-Nordheim equation) で与えられる。
【００１３】 ｊ＝ＢＥ0 2exp(−Ｃ／Ｅ0 ） （１） 但し、Ｅ0 は陰極１とゲート電極２による外部電界、
Ｂ，Ｃは定数である。この式は温度０°Ｋと仮定し、フ
ェルミ準位以下の電子が放出されるものとして計算した
式であるが、温度にあまり関係しないことが実験的に知
られており、常温以上でも通常用いられている。
Ｂ，Ｃは定数である。この式は温度０°Ｋと仮定し、フ
ェルミ準位以下の電子が放出されるものとして計算した
式であるが、温度にあまり関係しないことが実験的に知
られており、常温以上でも通常用いられている。
【００１４】このように電界放出された電子は陽極３に
よる電界Ｅにより引き寄せられて陽極３方向へ移動する
が、この電界Ｅに対してＺ方向の直交磁界（一様磁界）
が磁石（磁界印加手段）４により作られているので、電
子は次式に示すサイクロトロン角周波数ωc でＸＹ平面
上を回転（円運動）する。
よる電界Ｅにより引き寄せられて陽極３方向へ移動する
が、この電界Ｅに対してＺ方向の直交磁界（一様磁界）
が磁石（磁界印加手段）４により作られているので、電
子は次式に示すサイクロトロン角周波数ωc でＸＹ平面
上を回転（円運動）する。
【００１５】 ωc ＝ｅＢ／ｍ＝175.65Ｂ GHz （２） 但し、ｅは電子の電荷、ｍは電子の質量、Ｂは直交磁界
の磁束密度である。このサイクロトロン角周波数ωc は
電子速度ｖに関係せず、磁束密度Ｂに比例している。従
って、磁束密度Ｂが高くなれば角周波数ωc が大きくな
り、電子の回転軌跡長（移動行程長）が長くなる。この
ように、図１（ｂ）に示すように、電子は回転しながら
陽極３側へ移動する。
の磁束密度である。このサイクロトロン角周波数ωc は
電子速度ｖに関係せず、磁束密度Ｂに比例している。従
って、磁束密度Ｂが高くなれば角周波数ωc が大きくな
り、電子の回転軌跡長（移動行程長）が長くなる。この
ように、図１（ｂ）に示すように、電子は回転しながら
陽極３側へ移動する。
【００１６】かかる状態において、電子経路に電磁波が
照射された場合、一定の条件でサイクロトロン共鳴が起
こる。即ち、電磁波の角振動数ωf がサイクロトロン角
周波数ωc に等しく、電磁波の電界方向がＸ軸方向にあ
るときには、電子が到来電磁波によって最大に加速され
るため、電子の回転速度ｖは速くなり、次式で与えられ
る回転半径Ｒは徐々に大きくなっていく。
照射された場合、一定の条件でサイクロトロン共鳴が起
こる。即ち、電磁波の角振動数ωf がサイクロトロン角
周波数ωc に等しく、電磁波の電界方向がＸ軸方向にあ
るときには、電子が到来電磁波によって最大に加速され
るため、電子の回転速度ｖは速くなり、次式で与えられ
る回転半径Ｒは徐々に大きくなっていく。
【００１７】 Ｒ＝ｍｖ／（ｅＢ）＝ｖ／ωc （３） これによって電子は渦巻き形の軌跡を描きながら陽極３
に向かうことになる。
に向かうことになる。
【００１８】サイクロトロン角周波数ωc は磁束密度Ｂ
に比例して変化させることができるので、この磁束密度
Ｂを変えることによってサイクロトロン共鳴を起こさせ
ることができる。本発明の第１の手段においては、磁界
印加手段４として励磁電流を可変できる電磁石が用いら
れており、励磁電流を変えることにより磁束密度Ｂを変
えてサイクロトロン共鳴を起こさせるようにしている。
に比例して変化させることができるので、この磁束密度
Ｂを変えることによってサイクロトロン共鳴を起こさせ
ることができる。本発明の第１の手段においては、磁界
印加手段４として励磁電流を可変できる電磁石が用いら
れており、励磁電流を変えることにより磁束密度Ｂを変
えてサイクロトロン共鳴を起こさせるようにしている。
【００１９】ところで、このサイクロトロン共鳴（サイ
クロトロン角周波数ωc と電磁波の角振動数ωf の一致
点）を何らかの方法で検出できれば、式（２）により電
磁波の波長を求めることができることになる。そこで本
発明においては、サイクロトロン共鳴では電子が加速さ
れることに着目し、この加速電子と希薄ガス（封入ガ
ス）の分子Ｍとの衝突による電離で増殖荷電粒子（イオ
ン対）を作り、陽極電流をピーク化し、これを検出する
ようにしている。即ち、本発明では、電子の経路真空空
間６に希薄ガスが封止手段５によって封じ込まれてい
る。このため、サイクロトロン共鳴によって加速された
電子は希薄ガスの分子（原子）Ｍの電離エネルギー以上
の運動エネルギーを獲得すると共に、螺旋運動による移
動行程長が長いので分子Ｍとの衝突断面積（衝突確率）
が大きくなり、分子Ｍとの衝突が発生して分子Ｍを電離
させてイオン化する共に、１又は２以上の電離電子を生
じさせる。この電離電子はまた加速されて同様の電離を
引き起こすため、経路空間中には倍増した電子とイオン
が指数関数的に多量に生じ、電子は陽極３に捕獲される
と共に、イオンは陰極１に捕獲される。従って、非サイ
クロトロン共鳴のときには冷陰極からの放出電子のみが
陽極に捕獲されて微弱な陽極電流となっているが、サイ
クロトロン共鳴のときには倍増されたキャリアにより大
きな陽極電流が形成されてることになるので、サイクロ
トロン共鳴ではピーク電流が観測される。
クロトロン角周波数ωc と電磁波の角振動数ωf の一致
点）を何らかの方法で検出できれば、式（２）により電
磁波の波長を求めることができることになる。そこで本
発明においては、サイクロトロン共鳴では電子が加速さ
れることに着目し、この加速電子と希薄ガス（封入ガ
ス）の分子Ｍとの衝突による電離で増殖荷電粒子（イオ
ン対）を作り、陽極電流をピーク化し、これを検出する
ようにしている。即ち、本発明では、電子の経路真空空
間６に希薄ガスが封止手段５によって封じ込まれてい
る。このため、サイクロトロン共鳴によって加速された
電子は希薄ガスの分子（原子）Ｍの電離エネルギー以上
の運動エネルギーを獲得すると共に、螺旋運動による移
動行程長が長いので分子Ｍとの衝突断面積（衝突確率）
が大きくなり、分子Ｍとの衝突が発生して分子Ｍを電離
させてイオン化する共に、１又は２以上の電離電子を生
じさせる。この電離電子はまた加速されて同様の電離を
引き起こすため、経路空間中には倍増した電子とイオン
が指数関数的に多量に生じ、電子は陽極３に捕獲される
と共に、イオンは陰極１に捕獲される。従って、非サイ
クロトロン共鳴のときには冷陰極からの放出電子のみが
陽極に捕獲されて微弱な陽極電流となっているが、サイ
クロトロン共鳴のときには倍増されたキャリアにより大
きな陽極電流が形成されてることになるので、サイクロ
トロン共鳴ではピーク電流が観測される。
【００２０】従って、励磁電流を掃引して陽極電流を観
測することによりピーク電流が現れた時点がサイクロト
ロン共鳴点であることが判るので、そのときの励磁電流
の値から電磁波の波長を求めることができる。ここで、
サイクロトロン角周波数ωc は磁束密度Ｂ即ち励磁電流
に比例しているので、数桁以上の励磁電流値の変化で数
桁以上の波長域における波長を測定できる。従って、ダ
イナミックレンジが広い波長検出器を実現でき、マイク
ロ波領域から赤外線領域までの波長測定が可能となる。
また、荷電源が冷陰極電子放出機構によるため、高温度
下や放射線被曝下においてもバックグラウンドの影響を
受け難く、耐環境性に優れた電磁波検出装置を実現でき
る。また、半導体プロセスにより製造可能であるので、
超小型且つ安価な装置を提供できる。なお、陽極電流の
ピーク値は到来電磁波の強度に対応した値となるため、
ピーク値測定により電磁波強度も求めることができる。
測することによりピーク電流が現れた時点がサイクロト
ロン共鳴点であることが判るので、そのときの励磁電流
の値から電磁波の波長を求めることができる。ここで、
サイクロトロン角周波数ωc は磁束密度Ｂ即ち励磁電流
に比例しているので、数桁以上の励磁電流値の変化で数
桁以上の波長域における波長を測定できる。従って、ダ
イナミックレンジが広い波長検出器を実現でき、マイク
ロ波領域から赤外線領域までの波長測定が可能となる。
また、荷電源が冷陰極電子放出機構によるため、高温度
下や放射線被曝下においてもバックグラウンドの影響を
受け難く、耐環境性に優れた電磁波検出装置を実現でき
る。また、半導体プロセスにより製造可能であるので、
超小型且つ安価な装置を提供できる。なお、陽極電流の
ピーク値は到来電磁波の強度に対応した値となるため、
ピーク値測定により電磁波強度も求めることができる。
【００２１】ところで、封入ガスの分圧が高すぎると、
真空度が低下し冷陰極電子放出の障害となったり、放電
が起こり易くなる。本発明では希薄ガスを封入してある
のでその問題は殆ど起こらない。また陽極電位が高すぎ
る場合も放電が起こり易くなるが、電子加速機構が専ら
電磁波の電界によるサイクロトロン共鳴であるため、陽
極電位を高くせずに済む。また封入ガスが非常に希薄で
も、螺旋軌跡により衝突断面積が拡大されているので、
電離によるイオン化を確実に起こさせることができる。
真空度が低下し冷陰極電子放出の障害となったり、放電
が起こり易くなる。本発明では希薄ガスを封入してある
のでその問題は殆ど起こらない。また陽極電位が高すぎ
る場合も放電が起こり易くなるが、電子加速機構が専ら
電磁波の電界によるサイクロトロン共鳴であるため、陽
極電位を高くせずに済む。また封入ガスが非常に希薄で
も、螺旋軌跡により衝突断面積が拡大されているので、
電離によるイオン化を確実に起こさせることができる。
【００２２】本発明の第１の手段においては、励磁電流
を掃引する方法によりサイクロトロン共鳴点を見つける
ようにしているため、一様な直交磁界の強度をゆっくり
と変化させる必要があり、掃引時間の長くなる問題が生
じる。このため波長検出の応答性や測定時間が問題とな
る場合もあり、波長に時間依存性がある場合には不向き
である。そこで、本発明の第２の手段においてはリアル
ライムの波長検出を可能とする構造が採用されている。
即ち、本発明の第２の手段では、第１の手段と同様な構
成要素を有する電磁波検出セルを複数個配列してなるも
のであり、各電磁波検出セルにおける磁界印加手段とし
て互いに直交磁界の磁束密度がそれぞれ異なる固定磁界
を印加する固定磁界印加手段を設けた点に特徴を有す
る。到来電磁波がどの電磁波検出セルについても一様で
あると仮定すると、又は一様であると仮定できる程に、
電磁波検出セルが超小型且つ近接配列されているものと
すると、各セルにおけるサイクロトロン角周波数ωc は
離散的に異なる値となっている。従って、到来電磁波の
角振動数ωf と一致又は近似できるサイクロトロン角周
波数ωc を持つセルのみにサイクロトロン共鳴が起こ
り、その余のセルにはサイクロトロン共鳴が発生しな
い。従って、そのサイクロトロン共鳴を起こして陽極電
流が大きなセルを識別することにより、そのセルのサイ
クロトロン角周波数ωc から電磁波の波長を求めること
ができる。これは、励磁電流の掃引を必要としないので
リアルタイムの波長検出が可能である。また陽極電流値
から電磁波強度を求めることもでき、更に、波長分布的
な電磁波の測定、例えば複数波長の同時測定も可能とな
る。
を掃引する方法によりサイクロトロン共鳴点を見つける
ようにしているため、一様な直交磁界の強度をゆっくり
と変化させる必要があり、掃引時間の長くなる問題が生
じる。このため波長検出の応答性や測定時間が問題とな
る場合もあり、波長に時間依存性がある場合には不向き
である。そこで、本発明の第２の手段においてはリアル
ライムの波長検出を可能とする構造が採用されている。
即ち、本発明の第２の手段では、第１の手段と同様な構
成要素を有する電磁波検出セルを複数個配列してなるも
のであり、各電磁波検出セルにおける磁界印加手段とし
て互いに直交磁界の磁束密度がそれぞれ異なる固定磁界
を印加する固定磁界印加手段を設けた点に特徴を有す
る。到来電磁波がどの電磁波検出セルについても一様で
あると仮定すると、又は一様であると仮定できる程に、
電磁波検出セルが超小型且つ近接配列されているものと
すると、各セルにおけるサイクロトロン角周波数ωc は
離散的に異なる値となっている。従って、到来電磁波の
角振動数ωf と一致又は近似できるサイクロトロン角周
波数ωc を持つセルのみにサイクロトロン共鳴が起こ
り、その余のセルにはサイクロトロン共鳴が発生しな
い。従って、そのサイクロトロン共鳴を起こして陽極電
流が大きなセルを識別することにより、そのセルのサイ
クロトロン角周波数ωc から電磁波の波長を求めること
ができる。これは、励磁電流の掃引を必要としないので
リアルタイムの波長検出が可能である。また陽極電流値
から電磁波強度を求めることもでき、更に、波長分布的
な電磁波の測定、例えば複数波長の同時測定も可能とな
る。
【００２３】なお、到来電波の電界面と本装置との空間
配置の仕方により陽極電流の値は変化する。従って、３
軸方向の電界面成分毎のサイクロトロン共鳴を起こさせ
るように、本発明の電磁波検出装置を３軸方向に配置す
ることで、方位依存性を無くし、波長測定の精度の向上
を図ることができる。
配置の仕方により陽極電流の値は変化する。従って、３
軸方向の電界面成分毎のサイクロトロン共鳴を起こさせ
るように、本発明の電磁波検出装置を３軸方向に配置す
ることで、方位依存性を無くし、波長測定の精度の向上
を図ることができる。
【００２４】
〔第１実施例〕図２（ａ）は本発明の第１実施例に係る
電磁波検出装置を示す斜視図で、図２（ｂ）は同装置の
断面図である。この電磁波検出装置１０は、シリコン基
板１１上に形成されたシリコン酸化膜（絶縁膜）１２
と、このシリコン酸化膜１２に形成された逆台形状断面
の凹部１２ａと、シリコン酸化膜１２上で凹部１２ａの
一方に張り出て櫛歯状の先端部を多数有するタングステ
ン製冷陰極（エミッタ電極）１３と、凹部１２ａ上の冷
陰極１３側に設けられた短冊状のモリブデン製ゲート電
極（制御電極）１４と、シリコン酸化膜１２上で凹部１
２ａの他方に張り出て陰極１３に対峙するタングステン
製陽極（アノード電極又はコレクタ電極）１５と、下面
に凹部１６ａを有し真空空間１７に希薄な水素ガスを閉
じ込める絶縁性封止部材（例えば石英）１６と、シリコ
ン基板１１の裏面に固着された磁心１８ａ及びこれに巻
回されたエナメル線のソレノイドコイル１８ｂからなる
電磁石１８とを有している。シリコン基板１１のサイズ
（チップサイズ）は２mm×２mmであり、陰極１３の厚さ
は0.2 μｍである。先端櫛歯のエッジ幅は３μｍ、その
ピッチは６μｍであり、櫛歯数は２７０個程度である。
従って、陰極１３の幅は1.6mm 程度である。またゲート
電極１４は厚さ0.2 μｍ、電極幅1.6mm 程度で、電極長
さは３μｍである。更に、陽極１５は厚さ0.2 μｍ、電
極幅1.6mm 程度である。そして陰極１３とゲート電極１
４の距離は0.7 μｍ、陰極１３と陽極１５の距離は10μ
ｍである。磁心１８ａは直径１mmの円柱状のＭｎ−Ｚｎ
系フェライト（非透磁率5000）であり、電磁石１８は、
真空空間１７に対し陰極１３と陽極１５が成す平面（Ｘ
Ｙ面）に直交する方向（Ｚ方向）の磁界を印加するもの
である。真空空間１７内に充填された希薄水素ガス濃度
は３×１０-19 モルである。
電磁波検出装置を示す斜視図で、図２（ｂ）は同装置の
断面図である。この電磁波検出装置１０は、シリコン基
板１１上に形成されたシリコン酸化膜（絶縁膜）１２
と、このシリコン酸化膜１２に形成された逆台形状断面
の凹部１２ａと、シリコン酸化膜１２上で凹部１２ａの
一方に張り出て櫛歯状の先端部を多数有するタングステ
ン製冷陰極（エミッタ電極）１３と、凹部１２ａ上の冷
陰極１３側に設けられた短冊状のモリブデン製ゲート電
極（制御電極）１４と、シリコン酸化膜１２上で凹部１
２ａの他方に張り出て陰極１３に対峙するタングステン
製陽極（アノード電極又はコレクタ電極）１５と、下面
に凹部１６ａを有し真空空間１７に希薄な水素ガスを閉
じ込める絶縁性封止部材（例えば石英）１６と、シリコ
ン基板１１の裏面に固着された磁心１８ａ及びこれに巻
回されたエナメル線のソレノイドコイル１８ｂからなる
電磁石１８とを有している。シリコン基板１１のサイズ
（チップサイズ）は２mm×２mmであり、陰極１３の厚さ
は0.2 μｍである。先端櫛歯のエッジ幅は３μｍ、その
ピッチは６μｍであり、櫛歯数は２７０個程度である。
従って、陰極１３の幅は1.6mm 程度である。またゲート
電極１４は厚さ0.2 μｍ、電極幅1.6mm 程度で、電極長
さは３μｍである。更に、陽極１５は厚さ0.2 μｍ、電
極幅1.6mm 程度である。そして陰極１３とゲート電極１
４の距離は0.7 μｍ、陰極１３と陽極１５の距離は10μ
ｍである。磁心１８ａは直径１mmの円柱状のＭｎ−Ｚｎ
系フェライト（非透磁率5000）であり、電磁石１８は、
真空空間１７に対し陰極１３と陽極１５が成す平面（Ｘ
Ｙ面）に直交する方向（Ｚ方向）の磁界を印加するもの
である。真空空間１７内に充填された希薄水素ガス濃度
は３×１０-19 モルである。
【００２５】陰極１３には零又は負の電位を、ゲート電
極１４には正の電位を、陽極１３にはゲート電位よりも
高い正の電位を印加すると、ゲート電極１４の電界によ
り陰極１３の界面でのタングステンの仕事関数との合成
ポテンシャル幅が狭くなるので、ショットキー効果（ト
ンネル効果）により電子が陰極１から引き出される。
極１４には正の電位を、陽極１３にはゲート電位よりも
高い正の電位を印加すると、ゲート電極１４の電界によ
り陰極１３の界面でのタングステンの仕事関数との合成
ポテンシャル幅が狭くなるので、ショットキー効果（ト
ンネル効果）により電子が陰極１から引き出される。
【００２６】ここで陰極１からＸ方向へ電界放出される
電子の電流密度は、温度にあまり関係しないことが実験
的に知られており、高温下や放射線被曝下においても定
常的な値を示す。なお、本例においては、陰極１３の櫛
歯状のそれぞれの端面はゲート電極に対して平等である
ため、いずれの端面における電流密度も相等しくなる。
電子の電流密度は、温度にあまり関係しないことが実験
的に知られており、高温下や放射線被曝下においても定
常的な値を示す。なお、本例においては、陰極１３の櫛
歯状のそれぞれの端面はゲート電極に対して平等である
ため、いずれの端面における電流密度も相等しくなる。
【００２７】従って、電界放出のしきい値電圧が略一定
となるため、電子引出し初速度が均一化している。
となるため、電子引出し初速度が均一化している。
【００２８】このように電界放出された電子は陽極１５
による電界Ｅにより引き寄せられて陽極１５方向へ移動
するが、電子経路の真空空間１７においては、この電界
Ｅに対して直交磁界（一様磁界）Ｂが電磁石１８により
作られているので、電子はサイクロトロン角周波数ωc
でＸＹ平面上を回転する。このサイクロトロン角周波数
ωc は電子速度ｖに関係せず、磁束密度Ｂに比例してい
る。従って、磁束密度Ｂが高くなれば角周波数ωc が大
きくなり、電子の回転軌跡長（移動行程長）が長くな
る。このように、電子は回転しながら陽極１５側へ移動
する。かかる状態において、電子経路に電磁波（被測定
電磁波）が照射された場合、その電磁波の角振動数ωf
がサイクロトロン角周波数ωc に等しく、電磁波の電界
方向がＸ軸方向にあるときには、電子が到来電磁波によ
って最大に加速されるため、電子の回転速度は速くな
り、回転半径Ｒは徐々に大きくなっていく。これによっ
て電子は渦巻き形の軌跡を描きながら陽極１５に向かう
ことになる。サイクロトロン角周波数ωc は磁束密度Ｂ
に比例して変化させることができるので、この磁束密度
Ｂを変えることによってサイクロトロン共鳴を起こさせ
ることができる。本例では、電磁石１８に流す励磁電流
ｉを可変できるようになっているため、励磁電流ｉを変
えることにより磁束密度Ｂを変えてサイクロトロン共鳴
を起こさせるようにしている。ところで、このサイクロ
トロン共鳴が起こると、電子が加速されることになるた
め、この加速電子と希薄水素ガスの分子Ｍとの衝突によ
る電離で分子Ｍを電離させてイオン化する共に、１個の
電離電子を生じさせる。この電離電子はまた加速されて
同様の電離を引き起こすため、経路空間中には倍増した
電子とイオンが指数関数的に多量に生じることとなる。
倍増した電子は陽極１５に捕獲されると共に、イオン
（水素原子核）は陰極１に捕獲されて再結合する。従っ
て、非サイクロトロン共鳴のときには電子のみが陽極に
捕獲されて微弱な陽極電流となっているが、サイクロト
ロン共鳴のときには倍増されたキャリアにより大きな陽
極電流が形成されてることになるので、サイクロトロン
共鳴時ではピーク電流が観測される。
による電界Ｅにより引き寄せられて陽極１５方向へ移動
するが、電子経路の真空空間１７においては、この電界
Ｅに対して直交磁界（一様磁界）Ｂが電磁石１８により
作られているので、電子はサイクロトロン角周波数ωc
でＸＹ平面上を回転する。このサイクロトロン角周波数
ωc は電子速度ｖに関係せず、磁束密度Ｂに比例してい
る。従って、磁束密度Ｂが高くなれば角周波数ωc が大
きくなり、電子の回転軌跡長（移動行程長）が長くな
る。このように、電子は回転しながら陽極１５側へ移動
する。かかる状態において、電子経路に電磁波（被測定
電磁波）が照射された場合、その電磁波の角振動数ωf
がサイクロトロン角周波数ωc に等しく、電磁波の電界
方向がＸ軸方向にあるときには、電子が到来電磁波によ
って最大に加速されるため、電子の回転速度は速くな
り、回転半径Ｒは徐々に大きくなっていく。これによっ
て電子は渦巻き形の軌跡を描きながら陽極１５に向かう
ことになる。サイクロトロン角周波数ωc は磁束密度Ｂ
に比例して変化させることができるので、この磁束密度
Ｂを変えることによってサイクロトロン共鳴を起こさせ
ることができる。本例では、電磁石１８に流す励磁電流
ｉを可変できるようになっているため、励磁電流ｉを変
えることにより磁束密度Ｂを変えてサイクロトロン共鳴
を起こさせるようにしている。ところで、このサイクロ
トロン共鳴が起こると、電子が加速されることになるた
め、この加速電子と希薄水素ガスの分子Ｍとの衝突によ
る電離で分子Ｍを電離させてイオン化する共に、１個の
電離電子を生じさせる。この電離電子はまた加速されて
同様の電離を引き起こすため、経路空間中には倍増した
電子とイオンが指数関数的に多量に生じることとなる。
倍増した電子は陽極１５に捕獲されると共に、イオン
（水素原子核）は陰極１に捕獲されて再結合する。従っ
て、非サイクロトロン共鳴のときには電子のみが陽極に
捕獲されて微弱な陽極電流となっているが、サイクロト
ロン共鳴のときには倍増されたキャリアにより大きな陽
極電流が形成されてることになるので、サイクロトロン
共鳴時ではピーク電流が観測される。
【００２９】ここで、例えばゲート電圧200 Ｖ、陽極電
圧300 Ｖとし、1.1GHzのマイクロ波を照射して、コイル
電流（励磁電流）ｉを10ｍＡ〜140 ｍＡまで掃引したと
きの陽極電流ＩA の変化を図３に示す。なお、コイル巻
数ｎは１０としてある。図３によれば、コイル電流ｉが
100 ｍＡのとき、陽極電流ＩA に急峻なピークが現れ、
そのピーク値は50μＡであった。サイクロトロン角周波
数ωc は磁束密度即ちコイル電流ｉに比例しているの
で、コイル電流（励磁電流）ｉを10ｍＡ〜140 ｍＡまで
掃引したときには、0.1 〜1.4GHzの波長域の測定が可能
である。
圧300 Ｖとし、1.1GHzのマイクロ波を照射して、コイル
電流（励磁電流）ｉを10ｍＡ〜140 ｍＡまで掃引したと
きの陽極電流ＩA の変化を図３に示す。なお、コイル巻
数ｎは１０としてある。図３によれば、コイル電流ｉが
100 ｍＡのとき、陽極電流ＩA に急峻なピークが現れ、
そのピーク値は50μＡであった。サイクロトロン角周波
数ωc は磁束密度即ちコイル電流ｉに比例しているの
で、コイル電流（励磁電流）ｉを10ｍＡ〜140 ｍＡまで
掃引したときには、0.1 〜1.4GHzの波長域の測定が可能
である。
【００３０】コイル電流ｉの値は少なくとも数桁の範囲
で掃引できるので、数桁の範囲の波長域における波長測
定が可能であり、ダイナミックレインジの広い波長検出
器を実現できる。よってマイクロ波領域から赤外線領域
までの波長測定も可能となる。また、荷電源が冷陰極電
子放出機構によるため、高温度下や放射線被曝下におい
てもバックグラウンドの影響を受け難く、耐環境性に優
れた電磁波検出装置を実現できる。また、半導体プロセ
スや薄膜技術を用いて陰極１３，ゲート電極１４，陽極
１５や必要に応じて薄膜コイルの電磁石１８が形成でき
るので、超小型且つ安価な装置を提供できる。なお、陽
極電流のピーク値は到来電磁波の強度に対応した値とな
るため、ピーク値測定により電磁波強度も求めることが
できる。
で掃引できるので、数桁の範囲の波長域における波長測
定が可能であり、ダイナミックレインジの広い波長検出
器を実現できる。よってマイクロ波領域から赤外線領域
までの波長測定も可能となる。また、荷電源が冷陰極電
子放出機構によるため、高温度下や放射線被曝下におい
てもバックグラウンドの影響を受け難く、耐環境性に優
れた電磁波検出装置を実現できる。また、半導体プロセ
スや薄膜技術を用いて陰極１３，ゲート電極１４，陽極
１５や必要に応じて薄膜コイルの電磁石１８が形成でき
るので、超小型且つ安価な装置を提供できる。なお、陽
極電流のピーク値は到来電磁波の強度に対応した値とな
るため、ピーク値測定により電磁波強度も求めることが
できる。
【００３１】本例においては、真空度を破壊しない程度
の希薄な水素ガスが封入されている。これは電子放出を
阻害しない点と放電防止のためである。電子加速機構が
専ら電磁波の電界によるサイクロトロン共鳴であるた
め、封入ガスが非常に希薄でも、螺旋軌跡により衝突断
面積が拡大されているので、電離によるイオン化を確実
に起こさせることができる。
の希薄な水素ガスが封入されている。これは電子放出を
阻害しない点と放電防止のためである。電子加速機構が
専ら電磁波の電界によるサイクロトロン共鳴であるた
め、封入ガスが非常に希薄でも、螺旋軌跡により衝突断
面積が拡大されているので、電離によるイオン化を確実
に起こさせることができる。
【００３２】〔第２実施例〕図４は本発明の第２実施例
に係る電磁波検出装置の概念図を示す。この電磁波検出
装置５０は10mm角のシリコン基板２１上に２mm角の電磁
波検出セル部２０が４行４列にマトリクス配列されてい
る。この各電磁波検出セル部２０は、図５に示すよう
に、シリコン基板２１上に形成されたシリコン酸化膜
（絶縁膜）２２と、このシリコン酸化膜２２内に埋め込
まれたＣｏＦｅアモルファス薄帯の磁心２８ａ及びこれ
を巻回するＣｕの薄膜コイル２８ｂからなる薄膜電磁石
２８と、シリコン酸化膜２２の上に形成された上部絶縁
膜２９と、上部絶縁膜２９に形成された逆台形状断面の
凹部２９ａと、上部絶縁膜２９上で凹部２９ａの一方に
張り出て櫛歯状の先端部を多数有するタングステン製冷
陰極（エミッタ電極）２３と、凹部２９ａ上の冷陰極２
３側に設けられた短冊状のニオブ製ゲート電極（電子引
出し用電極）２４と、上部絶縁膜２９上で凹部２９ａの
他方に張り出て陰極２３に対峙し、タングステン層２５
ａ及びニオブ層２５ｂの２層構造から成る陽極（アノー
ド電極又はコレクタ電極））２５と、下面に凹部を有し
真空空間２７に希薄な水素ガスを封じ込める絶縁性封止
部材（図示せず）とを有している。陰極２３の厚さは0.
2 μｍである。先端櫛歯のエッジ幅は３μｍ、そのピッ
チは６μｍであり、櫛歯数は１００個程度である。また
ゲート電極２４は厚さ0.2 μｍである。更に、陽極１５
は厚さ0.2 μｍのタングステン層２５ａと厚さ0.2 μｍ
のニオブ層２５ｂの２層構造である。そして陰極２３と
ゲート電極２４との距離は0.7 μｍである。薄膜電磁石
２８は、真空空間２７に対し陰極２３と陽極２５が成す
ＸＹ平面に直交するＺ方向の磁界を印加するものであ
る。ここで、１６個の電磁波検出セル部２０における薄
膜電磁石２８のコイル２８ｂの巻数や線幅等は互いに異
ならせてあり、Ｚ方向の磁界の磁束密度は各セル部２０
で異なっている。真空空間２７内に充填された希薄水素
ガス濃度は３×１０-19 モルであり、真空度3.75×10
-10 Paに相当する。
に係る電磁波検出装置の概念図を示す。この電磁波検出
装置５０は10mm角のシリコン基板２１上に２mm角の電磁
波検出セル部２０が４行４列にマトリクス配列されてい
る。この各電磁波検出セル部２０は、図５に示すよう
に、シリコン基板２１上に形成されたシリコン酸化膜
（絶縁膜）２２と、このシリコン酸化膜２２内に埋め込
まれたＣｏＦｅアモルファス薄帯の磁心２８ａ及びこれ
を巻回するＣｕの薄膜コイル２８ｂからなる薄膜電磁石
２８と、シリコン酸化膜２２の上に形成された上部絶縁
膜２９と、上部絶縁膜２９に形成された逆台形状断面の
凹部２９ａと、上部絶縁膜２９上で凹部２９ａの一方に
張り出て櫛歯状の先端部を多数有するタングステン製冷
陰極（エミッタ電極）２３と、凹部２９ａ上の冷陰極２
３側に設けられた短冊状のニオブ製ゲート電極（電子引
出し用電極）２４と、上部絶縁膜２９上で凹部２９ａの
他方に張り出て陰極２３に対峙し、タングステン層２５
ａ及びニオブ層２５ｂの２層構造から成る陽極（アノー
ド電極又はコレクタ電極））２５と、下面に凹部を有し
真空空間２７に希薄な水素ガスを封じ込める絶縁性封止
部材（図示せず）とを有している。陰極２３の厚さは0.
2 μｍである。先端櫛歯のエッジ幅は３μｍ、そのピッ
チは６μｍであり、櫛歯数は１００個程度である。また
ゲート電極２４は厚さ0.2 μｍである。更に、陽極１５
は厚さ0.2 μｍのタングステン層２５ａと厚さ0.2 μｍ
のニオブ層２５ｂの２層構造である。そして陰極２３と
ゲート電極２４との距離は0.7 μｍである。薄膜電磁石
２８は、真空空間２７に対し陰極２３と陽極２５が成す
ＸＹ平面に直交するＺ方向の磁界を印加するものであ
る。ここで、１６個の電磁波検出セル部２０における薄
膜電磁石２８のコイル２８ｂの巻数や線幅等は互いに異
ならせてあり、Ｚ方向の磁界の磁束密度は各セル部２０
で異なっている。真空空間２７内に充填された希薄水素
ガス濃度は３×１０-19 モルであり、真空度3.75×10
-10 Paに相当する。
【００３３】このような電磁波検出チップには、図４に
示すように、各セル部２０の陰極２３，陽極２５，ゲー
ト電極２４へ電圧を供給する電圧供給部３１と、各セル
部２０の薄膜電磁石２８のコイル２８ｂへ電流を供給す
る電流供給部３２と、各各セル部２０の陽極電流を検出
する電流検出部３３と、その各セル毎の電流値を基に電
磁波の波長を求めるデータ処理部３４が接続されてい
る。
示すように、各セル部２０の陰極２３，陽極２５，ゲー
ト電極２４へ電圧を供給する電圧供給部３１と、各セル
部２０の薄膜電磁石２８のコイル２８ｂへ電流を供給す
る電流供給部３２と、各各セル部２０の陽極電流を検出
する電流検出部３３と、その各セル毎の電流値を基に電
磁波の波長を求めるデータ処理部３４が接続されてい
る。
【００３４】第１実施例においては、励磁電流ｉを掃引
する方法によりサイクロトロン共鳴点を見つけるように
しているため、一様な直交磁界の強度をゆっくりと変化
させる必要があり、掃引時間の長くなる問題が生じる。
このため波長検出の応答性や測定時間が問題となる場合
もあり、波長に時間依存性がある場合には不向きであ
る。そこで、本例においてはリアルライムの波長検出を
可能とする構造が採用されている。即ち、複数の電磁波
検出セル２０が配列しており、各電磁波検出セルにおけ
る直交磁界の磁束密度がそれぞれ異なるように設定され
ている。従って、各セル２０におけるサイクロトロン角
周波数ωc は離散的に異なる値となっており、到来電磁
波の角振動数ωf と一致又は近似できるサイクロトロン
角周波数ωc を持つセル２０のみにサイクロトロン共鳴
が起こり、その余のセルにはサイクロトロン共鳴が発生
しない。従って、そのサイクロトロン共鳴を起こして陽
極電流が大きなセルを識別することにより、そのセルの
サイクロトロン角周波数ωcから電磁波の波長を求める
ことができる。これは、励磁電流の掃引を必要としない
のでリアルタイムの波長検出が可能である。また陽極電
流値から電磁波強度を求めることもでき、更に、波長分
布的な電磁波の測定、例えば複数波長の同時測定も可能
となる。
する方法によりサイクロトロン共鳴点を見つけるように
しているため、一様な直交磁界の強度をゆっくりと変化
させる必要があり、掃引時間の長くなる問題が生じる。
このため波長検出の応答性や測定時間が問題となる場合
もあり、波長に時間依存性がある場合には不向きであ
る。そこで、本例においてはリアルライムの波長検出を
可能とする構造が採用されている。即ち、複数の電磁波
検出セル２０が配列しており、各電磁波検出セルにおけ
る直交磁界の磁束密度がそれぞれ異なるように設定され
ている。従って、各セル２０におけるサイクロトロン角
周波数ωc は離散的に異なる値となっており、到来電磁
波の角振動数ωf と一致又は近似できるサイクロトロン
角周波数ωc を持つセル２０のみにサイクロトロン共鳴
が起こり、その余のセルにはサイクロトロン共鳴が発生
しない。従って、そのサイクロトロン共鳴を起こして陽
極電流が大きなセルを識別することにより、そのセルの
サイクロトロン角周波数ωcから電磁波の波長を求める
ことができる。これは、励磁電流の掃引を必要としない
のでリアルタイムの波長検出が可能である。また陽極電
流値から電磁波強度を求めることもでき、更に、波長分
布的な電磁波の測定、例えば複数波長の同時測定も可能
となる。
【００３５】次に、電磁波検出チップの製造工程をセル
部に着目して説明する。図６（Ａ）〜（Ｅ），図７
（Ｆ）〜（Ｈ）は図５に示す構造の電磁波検出装置の製
造工程を示す断面図である。
部に着目して説明する。図６（Ａ）〜（Ｅ），図７
（Ｆ）〜（Ｈ）は図５に示す構造の電磁波検出装置の製
造工程を示す断面図である。
【００３６】まず、図６（Ａ）に示すように、シリコン
基板２１を酸化した１μｍ厚のシリコン酸化膜２２に、
Ｃｕを蒸着してフォトリソグラフィにより螺旋状の薄膜
コイル２８ｂを形成し、その上にＣＶＤ法でＳｉＯ2 の
上部絶縁膜２９を堆積してこれを平坦化する。この薄膜
コイル２８ｂの形成においては、コイル巻数，その線幅
及びピッチはセル毎に異なるように設定される。
基板２１を酸化した１μｍ厚のシリコン酸化膜２２に、
Ｃｕを蒸着してフォトリソグラフィにより螺旋状の薄膜
コイル２８ｂを形成し、その上にＣＶＤ法でＳｉＯ2 の
上部絶縁膜２９を堆積してこれを平坦化する。この薄膜
コイル２８ｂの形成においては、コイル巻数，その線幅
及びピッチはセル毎に異なるように設定される。
【００３７】次に、図６（Ｂ）に示すように、上部絶縁
膜２９上にフォトレジスト層４０を形成し、薄膜コイル
２８ｂの中心部に合う部位を窓開けしてから、フォトレ
ジスト層４０をマスクとして上部絶縁膜２９のうち薄膜
コイル２８ｂの中心部に溝４１を形成し、この状態でＣ
ｏＦｅ合金をスパッタ蒸着する。これによって溝４１内
にはＣｏＦｅ合金の磁心２８ａが埋め込まれると共に、
フォトレジスト層４０上にＣｏＦｅ合金層４２が被覆さ
れる。
膜２９上にフォトレジスト層４０を形成し、薄膜コイル
２８ｂの中心部に合う部位を窓開けしてから、フォトレ
ジスト層４０をマスクとして上部絶縁膜２９のうち薄膜
コイル２８ｂの中心部に溝４１を形成し、この状態でＣ
ｏＦｅ合金をスパッタ蒸着する。これによって溝４１内
にはＣｏＦｅ合金の磁心２８ａが埋め込まれると共に、
フォトレジスト層４０上にＣｏＦｅ合金層４２が被覆さ
れる。
【００３８】次に、アセトン洗浄によるリフトオフ法に
よりフォトレジスト層４０及びＣｏＦｅ合金層４２を除
去して、溝４１内の磁心２８ａのみを残した後、図６
（Ｃ）に示すように、再度ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 を上
部絶縁膜２９上に堆積してこれを平坦化する。これによ
って溝４１はＳｉＯ2 で埋め込まれる。そして、上部絶
縁膜２９上にタングステン層４３をスパッタ蒸着する。
よりフォトレジスト層４０及びＣｏＦｅ合金層４２を除
去して、溝４１内の磁心２８ａのみを残した後、図６
（Ｃ）に示すように、再度ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 を上
部絶縁膜２９上に堆積してこれを平坦化する。これによ
って溝４１はＳｉＯ2 で埋め込まれる。そして、上部絶
縁膜２９上にタングステン層４３をスパッタ蒸着する。
【００３９】次に、図６（Ｄ）に示すように、フォトレ
ジスト層４４を形成してフォトリソグラフィによりタン
グステン層４３をパターニングし、陰極２３及び陽極２
５のタングステン層２５ａを形成する。
ジスト層４４を形成してフォトリソグラフィによりタン
グステン層４３をパターニングし、陰極２３及び陽極２
５のタングステン層２５ａを形成する。
【００４０】次に、図６（Ｅ）に示すように、パターニ
ングされた陰極２３及び陽極２５のタングステン層２５
ａをマスクとして上部絶縁膜２９に凹部２９ａを形成し
た後、タングステン層２５ａのフォトレジスト層４４を
除去する。そして凹部２９ａ上で陰極２３側に窓開けし
たフォトレジスト層４５を形成した後、ニオブ（Ｎｂ）
を電子ビーム蒸着し、凹部２９ａ上で陰極２３側にゲー
ト電極２４と陽極２５のタングステン層２５ａの上にニ
オブ層２５ｂを形成する。
ングされた陰極２３及び陽極２５のタングステン層２５
ａをマスクとして上部絶縁膜２９に凹部２９ａを形成し
た後、タングステン層２５ａのフォトレジスト層４４を
除去する。そして凹部２９ａ上で陰極２３側に窓開けし
たフォトレジスト層４５を形成した後、ニオブ（Ｎｂ）
を電子ビーム蒸着し、凹部２９ａ上で陰極２３側にゲー
ト電極２４と陽極２５のタングステン層２５ａの上にニ
オブ層２５ｂを形成する。
【００４１】次に、図７（Ｆ）に示すように、アセトン
洗浄によるリフトオフ法により陰極２３上のフォトレジ
スト層４４及びニオブ層と凹部２９ａ上のフォトレジス
ト層４５及びニオブ層を除去し、ゲート電極２４及び陽
極２５のニオブ層２５ｂを残す。
洗浄によるリフトオフ法により陰極２３上のフォトレジ
スト層４４及びニオブ層と凹部２９ａ上のフォトレジス
ト層４５及びニオブ層を除去し、ゲート電極２４及び陽
極２５のニオブ層２５ｂを残す。
【００４２】次に、図７（Ｇ）に示すように、フォトレ
ジスト層４６を形成してレジストパターニングを行い、
これをマスクとして陰極２３の先端櫛歯状のパターニン
グを施す。そして図７（Ｈ）に示すように、フォトレジ
スト層４６を除去する。これによって図５に示す構造が
得られるが、この後、凹部２９ａの空間を真空空間１７
とし、これに希薄な水素ガスを閉じ込める絶縁性封止部
材（図示せず）と被着する。これによって電磁波検出装
置が完成する。
ジスト層４６を形成してレジストパターニングを行い、
これをマスクとして陰極２３の先端櫛歯状のパターニン
グを施す。そして図７（Ｈ）に示すように、フォトレジ
スト層４６を除去する。これによって図５に示す構造が
得られるが、この後、凹部２９ａの空間を真空空間１７
とし、これに希薄な水素ガスを閉じ込める絶縁性封止部
材（図示せず）と被着する。これによって電磁波検出装
置が完成する。
【００４３】なお、上記実施例では、セル毎の磁束密度
を異ならしめる方法として、励磁電流を一定としてコイ
ル巻数等の構造因子をセル毎互いに異ならしめてある。
しかし、各セルのコイル２８ａに流す励磁電流の値を異
ならしめたものでも、同様な効果が得られる。また１６
個のセルに限らず、それ以上のセル数を有する電磁波検
出装置によれば、波長分解能又は検出波長範囲の拡大を
図ることができる。
を異ならしめる方法として、励磁電流を一定としてコイ
ル巻数等の構造因子をセル毎互いに異ならしめてある。
しかし、各セルのコイル２８ａに流す励磁電流の値を異
ならしめたものでも、同様な効果が得られる。また１６
個のセルに限らず、それ以上のセル数を有する電磁波検
出装置によれば、波長分解能又は検出波長範囲の拡大を
図ることができる。
【００４４】更に、到来電波の電界面と本装置との空間
配置の仕方により陽極電流の値は変化する。従って、３
軸方向の電界面成分毎のサイクロトロン共鳴を起こさせ
るように、本発明の電磁波検出装置を３軸方向に配置す
ることで、方位依存性を無くし、波長測定の精度の向上
を図ることができる。
配置の仕方により陽極電流の値は変化する。従って、３
軸方向の電界面成分毎のサイクロトロン共鳴を起こさせ
るように、本発明の電磁波検出装置を３軸方向に配置す
ることで、方位依存性を無くし、波長測定の精度の向上
を図ることができる。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、冷陰極
電子放出部により電子を放出させてこれを電界で陽極側
へ導きながら、その経路過程で磁界印加手段による直交
磁界によりサイクロトロン回転させて移動軌跡の行程長
を高めると共に、その回転軌跡の直交磁界の磁束密度で
決まるサイクロトロン角周波数ωc の値が到来電磁波の
角周波数ωf の値と一致するときに生じるサイクロトロ
ン共鳴現象によって回転電子に運動エネルギーを繰り返
し付与して加速せしめ、この加速電子を希薄ガスに衝突
させて電離によりイオン化させることにより、イオン対
を陽極及び陰極で捕獲することに特徴を有している。従
って、次の効果を奏する。
電子放出部により電子を放出させてこれを電界で陽極側
へ導きながら、その経路過程で磁界印加手段による直交
磁界によりサイクロトロン回転させて移動軌跡の行程長
を高めると共に、その回転軌跡の直交磁界の磁束密度で
決まるサイクロトロン角周波数ωc の値が到来電磁波の
角周波数ωf の値と一致するときに生じるサイクロトロ
ン共鳴現象によって回転電子に運動エネルギーを繰り返
し付与して加速せしめ、この加速電子を希薄ガスに衝突
させて電離によりイオン化させることにより、イオン対
を陽極及び陰極で捕獲することに特徴を有している。従
って、次の効果を奏する。
【００４６】 サイクロトロン共鳴時には陽極に非サ
イクロトロン共鳴時の電子のみによる電流に比べ多量の
ピーク電流を得ようとするものである。従って、磁束密
度を変えることにより電流ピーク点が得られるので、そ
のサイクロトロン角周波数ωcに対応した到来電磁波の
角周波数ωf 、即ち電磁波の波長を検出することが可能
となる。また、電流ピーク値の測定により電磁波の強度
を検出することができる。
イクロトロン共鳴時の電子のみによる電流に比べ多量の
ピーク電流を得ようとするものである。従って、磁束密
度を変えることにより電流ピーク点が得られるので、そ
のサイクロトロン角周波数ωcに対応した到来電磁波の
角周波数ωf 、即ち電磁波の波長を検出することが可能
となる。また、電流ピーク値の測定により電磁波の強度
を検出することができる。
【００４７】 サイクロトロン角周波数ωc は磁束密
度Ｂ即ち励磁電流に比例しているので、数桁以上の励磁
電流値の変化で数桁以上の波長域における波長を測定で
きる。
度Ｂ即ち励磁電流に比例しているので、数桁以上の励磁
電流値の変化で数桁以上の波長域における波長を測定で
きる。
【００４８】従って、ダイナミックレンジが広い波長検
出器を実現でき、マイクロ波領域から赤外線領域までの
波長測定が可能となる。
出器を実現でき、マイクロ波領域から赤外線領域までの
波長測定が可能となる。
【００４９】 荷電源が冷陰極電子放出機構によるた
め、高温度下や放射線被曝下においてもバックグラウン
ドの影響を受け難く、耐環境性に優れた電磁波検出装置
を実現できる。
め、高温度下や放射線被曝下においてもバックグラウン
ドの影響を受け難く、耐環境性に優れた電磁波検出装置
を実現できる。
【００５０】 半導体プロセスにより製造可能である
ので、超小型且つ安価な装置を提供できる。
ので、超小型且つ安価な装置を提供できる。
【００５１】 電磁波検出セルを複数個配列し、各電
磁波検出セルにおける磁界印加手段として互いに直交磁
界の磁束密度がそれぞれ異なる固定磁界を印加する固定
磁界印加手段を設けた構成においては、サイクロトロン
共鳴を起こして陽極電流が大きなセルを識別することに
より、そのセルのサイクロトロン角周波数ωc から電磁
波の波長を求めることができる。これは、励磁電流の掃
引を必要としないのでリアルタイムの波長検出が可能で
ある。
磁波検出セルにおける磁界印加手段として互いに直交磁
界の磁束密度がそれぞれ異なる固定磁界を印加する固定
磁界印加手段を設けた構成においては、サイクロトロン
共鳴を起こして陽極電流が大きなセルを識別することに
より、そのセルのサイクロトロン角周波数ωc から電磁
波の波長を求めることができる。これは、励磁電流の掃
引を必要としないのでリアルタイムの波長検出が可能で
ある。
【図１】（ａ）は本発明の原理を説明するための構成図
で、（ｂ）は放出電子の運動を説明する模式図である。
で、（ｂ）は放出電子の運動を説明する模式図である。
【図２】（ａ）は本発明の第１実施例に係る電磁波検出
装置を示す斜視図で、（ｂ）は同装置の断面図である。
装置を示す斜視図で、（ｂ）は同装置の断面図である。
【図３】第１実施例に係る電磁波検出装置におけるコイ
ル電流に対する陽極電流の変化を示すグラフである。
ル電流に対する陽極電流の変化を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施例に係る電磁波検出装置を示
す概念図である。
す概念図である。
【図５】第２実施例に係る電磁波検出装置における電磁
波検出セルの構造を示す断面図である。
波検出セルの構造を示す断面図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｅ）は、第２実施例に係る電磁波検
出装置の各製造工程を示す断面図である。
出装置の各製造工程を示す断面図である。
【図７】（Ｆ）〜（Ｈ）は、図６の（Ｅ）の後工程にお
ける第２実施例に係る電磁波検出装置の各製造工程を示
す断面図である。
ける第２実施例に係る電磁波検出装置の各製造工程を示
す断面図である。
１，１３，２３…冷陰極 ２，１４、２４…ゲート電極 ３，１５，２５…陽極 ４…磁界印加手段 ５…封止手段 ６，１７，２７…真空空間 Ｍ…希薄ガスの分子（原子） １０，５０…電磁波検出装置 １１，２１…シリコン基板 １２，２２…絶縁膜 １２ａ、２９ａ…凹部 １６…封止部材 １８…電磁石 １８ａ，２８ａ…磁心 １８ｂ…ソレノイドコイル ２０…電磁波検出セル ２５ａ…タングステン層 ２５ｂ…ニオブ層 ２８…薄膜電磁石 ２８ｂ…薄膜コイル ２９…上部絶縁膜 ３１…電圧供給部 ３２…電流供給部 ３４…電流検出部 ３４…データ処理部 ４０，４４，４５，４６…フォトレジスト層 ４１…溝 ４２…ＣｏＦｅ合金層 ４３…タングステン層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 29/08 H01J 11/00 - 11/04 H01J 17/00 - 17/64 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (5)
- 【請求項１】 印加された電位によって電子を放出する
冷陰極を備える電子放出部と、前記陰極からの電子を経
路真空空間を介して捕獲する陽極と、前記経路真空空間
において前記陰極及び前記陽極が作る電界の方向とは略
直交する方向に磁界を印加する磁界印加手段と、前記経
路真空空間に希薄ガスを封じ込める封止手段とを有して
おり、前記磁界印加手段は励磁電流を可変できる電磁石
であることを特徴とする電磁波検出装置。 - 【請求項２】 印加された電位によって電子を放出する
冷陰極を備える電子放出部、前記陰極からの電子を経路
真空空間を介して捕獲する陽極、前記経路真空空間にお
いて前記陰極及び前記陽極が作る電界の方向とは略直交
する方向に磁界を印加する磁界印加手段、及び前記経路
真空空間に希薄ガスを封じ込める封止手段とを有する電
磁波検出セルが複数個配列されており、前記各電磁波検
出セルにおける前記磁界印加手段は互いに前記直交磁界
の磁束密度がそれぞれ異なる固定磁界を印加する固定磁
界印加手段であることを特徴とする電磁波検出装置。 - 【請求項３】 半導体基板上に形成された凹部を有する
絶縁膜と、前記絶縁膜上で前記凹部を挟んだ一方側及び
他方側に形成された陰極及び陽極と、前記凹部上の前記
陰極側に形成された制御電極と、前記陰極，前記陽極及
び前記制御電極を含む領域を真空空間とし、これに希薄
ガスを封じ込める封止手段と、前記陰極及び前記陽極が
作る電界の方向とは略直交する方向に磁界を印加する磁
界印加手段とを有することを特徴とする電磁波検出装
置。 - 【請求項４】 請求項３に記載の電磁波検出装置におい
て、前記磁界印加手段は前記半導体基板の裏面側に設け
られた電磁石であることを特徴とする電磁波検出装置。 - 【請求項５】 請求項３に記載の電磁波検出装置におい
て、前記磁界印加手段は前記半導体基板上の前記絶縁膜
内に埋め込み形成された薄膜電磁石であることを特徴と
する電磁波検出装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18053093A JP3147595B2 (ja) | 1993-07-22 | 1993-07-22 | 電磁波検出装置 |
| US08/271,458 US5463226A (en) | 1993-07-22 | 1994-07-07 | Electromagnetic wave detecting apparatus |
| DE4424135A DE4424135C2 (de) | 1993-07-22 | 1994-07-08 | Meßvorrichtung für elektromagnetische Wellen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18053093A JP3147595B2 (ja) | 1993-07-22 | 1993-07-22 | 電磁波検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0735801A JPH0735801A (ja) | 1995-02-07 |
| JP3147595B2 true JP3147595B2 (ja) | 2001-03-19 |
Family
ID=16084881
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18053093A Expired - Fee Related JP3147595B2 (ja) | 1993-07-22 | 1993-07-22 | 電磁波検出装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5463226A (ja) |
| JP (1) | JP3147595B2 (ja) |
| DE (1) | DE4424135C2 (ja) |
Families Citing this family (10)
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|---|---|---|---|---|
| JP3308841B2 (ja) * | 1997-01-29 | 2002-07-29 | 株式会社東芝 | 電磁波検出用カメラ装置 |
| KR100357526B1 (ko) * | 2000-03-14 | 2002-10-19 | 한국원자력연구소 | 싸이클로트론 전자석의 자기측정장치 |
| US6617576B1 (en) * | 2001-03-02 | 2003-09-09 | Monitor Instruments Company, Llc | Cycloidal mass spectrometer with time of flight characteristics and associated method |
| US7400401B2 (en) * | 2005-03-31 | 2008-07-15 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Measuring low dielectric constant film properties during processing |
| JP2013542613A (ja) | 2010-10-27 | 2013-11-21 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | フォトレジスト線幅の荒れを制御するための方法及び装置 |
| WO2013123232A1 (en) * | 2012-02-14 | 2013-08-22 | Georgia Tech Research Corporation | Systems and methods for microwave jamming of molecular recognition |
| US8962224B2 (en) | 2012-08-13 | 2015-02-24 | Applied Materials, Inc. | Methods for controlling defects for extreme ultraviolet lithography (EUVL) photomask substrate |
| US11125904B2 (en) * | 2014-12-12 | 2021-09-21 | Lingacom Ltd. | Large scale gas electron multiplier with sealable opening |
| CN106449336B (zh) * | 2016-09-28 | 2018-03-20 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 磁绝缘线振荡器重频运行气体捕集器及捕集方法 |
| US10163609B2 (en) * | 2016-12-15 | 2018-12-25 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Plasma generation for ion implanter |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1238569B (de) * | 1961-09-06 | 1967-04-13 | Philips Nv | Vorrichtung zum Messen der Mikrowellen-leistung |
| US4952811A (en) * | 1989-06-21 | 1990-08-28 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Field induced gap infrared detector |
| JPH03261040A (ja) * | 1990-03-09 | 1991-11-20 | Mitsubishi Electric Corp | マイクロ真空管およびその製造方法 |
-
1993
- 1993-07-22 JP JP18053093A patent/JP3147595B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1994
- 1994-07-07 US US08/271,458 patent/US5463226A/en not_active Expired - Fee Related
- 1994-07-08 DE DE4424135A patent/DE4424135C2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE4424135A1 (de) | 1995-01-26 |
| US5463226A (en) | 1995-10-31 |
| DE4424135C2 (de) | 1997-02-20 |
| JPH0735801A (ja) | 1995-02-07 |
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