JPH08138561A - 微小真空デバイス - Google Patents

微小真空デバイス

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JPH08138561A
JPH08138561A JP5329952A JP32995293A JPH08138561A JP H08138561 A JPH08138561 A JP H08138561A JP 5329952 A JP5329952 A JP 5329952A JP 32995293 A JP32995293 A JP 32995293A JP H08138561 A JPH08138561 A JP H08138561A
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JP
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thin film
electron emitter
vacuum device
gate
collector
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Mitsuteru Kimura
光照 木村
Masahito Honma
聖人 本間
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J31/00Cathode ray tubes; Electron beam tubes
    • H01J31/08Cathode ray tubes; Electron beam tubes having a screen on or from which an image or pattern is formed, picked up, converted, or stored
    • H01J31/10Image or pattern display tubes, i.e. having electrical input and optical output; Flying-spot tubes for scanning purposes
    • H01J31/12Image or pattern display tubes, i.e. having electrical input and optical output; Flying-spot tubes for scanning purposes with luminescent screen
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02Main electrodes
    • H01J1/13Solid thermionic cathodes
    • H01J1/20Cathodes heated indirectly by an electric current; Cathodes heated by electron or ion bombardment
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J21/02Tubes with a single discharge path
    • H01J21/06Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only
    • H01J21/10Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only with one or more immovable internal control electrodes, e.g. triode, pentode, octode
    • H01J21/105Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only with one or more immovable internal control electrodes, e.g. triode, pentode, octode with microengineered cathode and control electrodes, e.g. Spindt-type

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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的低真空であっても電子放出特性を向上
させ,電源電圧を比較的小さくし,また,半導体のマイ
クロマシーンニング技術を用いて形成できるようにし,
微細で精度がよい宙に浮いた構造の薄膜ヒータを持った
電子エミッタを有する微小真空デバイスを容易に大量生
産可能にする。 【構成】 真空中に配置した薄膜ヒータ兼電子エミッタ
106,ゲート104およびコレクタ102を有する微
小真空デバイスにおいて,薄膜ヒータ兼電子エミッタ1
06を宙に浮いた状態で薄膜状に形成し,薄膜ヒータ兼
電子エミッタ106が電子を電界放出するように空隙を
介して薄膜ヒータ兼電子エミッタ106をゲート104
に近接配置したものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は,電界放出形や熱電子・
電界放出形の電子エミッタを有する微小真空デバイスに
関し,特に,微小三極真空デバイスや微小真空磁気セン
サなどに応用できる微小真空デバイスに関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来における微小真空デバイスにあって
は,半導体のマイクロマシーンニング技術を用いて,真
空中においてシリコン基板などに電子エミッタ,ゲー
ト,および,コレクタを形成配置し,針状や薄膜状に作
成した電子エミッタにゲートを単に近接させて配置する
ことにより電界放出形に構成したものが一般的であっ
た。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら,従来の
微小真空デバイスにおける電子エミッタは,真空度が低
くなるにしたがい,電子エミッタ表面に対するガス吸着
等により電子放出特性が損なわれるという問題点があっ
た。
【0004】本発明は,上記に鑑みてなされたもので,
電子エミッタ表面を熱し,吸着ガス等を放出させて活性
化させることにより,電子が電界放出しやすい状態にす
るか,あるいは,電子エミッタを熱することにより,熱
電子が出やすい状態にして電界放出させることにより,
比較的低真空であっても電子放出特性を向上させ,電源
電圧を比較的小さくすることを第1の目的とする。
【0005】また,半導体のマイクロマシーンニング技
術を用いて形成できるようにし,微細で精度がよい宙に
浮いた構造の薄膜ヒータを持った電子エミッタを有する
微小真空デバイスを容易に大量生産可能にすることを第
2の目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は,上記の目的を
達成するために,真空中に配置した電子エミッタ,ゲー
トおよびコレクタを有する微小真空デバイスにおいて,
前記電子エミッタを宙に浮いた状態の薄膜ヒータ上に薄
膜状に形成し,前記電子エミッタが電子を電界放出する
ように空隙を介して前記電子エミッタを前記ゲートに近
接配置したものである。
【0007】また,前記薄膜ヒータを前記電子エミッタ
として構成し,前記電子エミッタと前記コレクタとの間
を流れる電流を,前記ゲートに印加する電圧により変化
させ,前記ゲートに近接配置する電子エミッタの先端部
を尖鋭化し,前記ゲートに近接配置する電子エミッタの
先端部を,同一の薄膜ヒータに対し複数個設け,前記電
子エミッタに形成する先端部に対応する部分にスリット
を設けたものである。
【0008】また,前記コレクタを複数近接させて配置
し,前記複数のコレクタに流れる電子電流の大きさから
外部磁界の大きさ,および,外部磁界の方向を検出し,
前記コレクタを薄膜状に構成し,前記コレクタが,絶縁
薄膜を介して複数層から構成されているものである。ま
た,前記電子エミッタの表面に凸部を設けたものであ
る。
【0009】さらに,表面に凹部を形成したシリコン単
結晶チップをカバーとして,前記凹部を含む領域を微小
真空領域室となるように真空封止し,前記電子エミッ
タ,ゲート,および,コレクタの電極を絶縁薄膜を介し
て前記微小真空領域の外部に引き出すように構成したも
のである。
【0010】また,本発明は,真空中に配置した電子エ
ミッタ,ゲートおよびコレクタを有する微小真空デバイ
スにおいて,前記コレクタを導体基板により構成し,前
記コレクタ上に絶縁薄膜を介してゲート電極を配置し,
前記ゲート電極内に前記コレクタが露出するように前記
絶縁薄膜に孔を形成し,薄膜ヒータ上に薄膜状に形成さ
れた電子エミッタを前記孔の中央付近に配置し,前記電
子エミッタが電子を電界放出するように前記電子エミッ
タをゲートに近接配置したものである。
【0011】また,前記薄膜ヒータを前記電子エミッタ
として構成し,前記電子エミッタと前記コレクタとの間
を流れる電流を,前記ゲートに印加する電圧により変化
させ,前記孔の中央付近に配置する電子エミッタの先端
部を尖鋭化し,前記孔の中央付近に配置する電子エミッ
タの先端部を,同一の薄膜ヒータに対し複数個設け,前
記電子エミッタに形成する先端部に対応する部分にスリ
ットを設けたものである。また,前記電子エミッタの表
面に凸部を設けたものである。
【0012】さらに,表面に凹部を形成したシリコン単
結晶チップをカバーとして,前記凹部を含む領域を微小
真空領域室となるように真空封止し,前記電子エミッ
タ,ゲート,および,コレクタの電極を絶縁薄膜を介し
て前記微小真空領域の外部に引き出すように構成したも
のである。
【0013】
【作用】本発明に係る微小真空デバイスは,エアブリッ
ジにより電子エミッタを宙に浮いた状態の薄膜ヒータ上
に薄膜状に形成し,あるいは,薄膜ヒータを電子エミッ
タとして構成し,空隙を介して電子エミッタをゲートに
近接配置することにより,電子が電界放出しやすい状態
にするか,あるいは,電子エミッタを熱することにより
熱電子を出やすい状態にする。
【0014】また,電子エミッタとコレクタとの間を流
れる電流を,ゲートに印加する電圧により変化させる。
また,ゲートに近接配置する電子エミッタの先端部を尖
鋭化することにより,電界を集中させ,電子放出効率を
向上させる。また,ゲートに近接配置する電子エミッタ
の先端部を,同一の薄膜ヒータに対し複数個設けること
により,その部分に電流を多く流すようにする。
【0015】また,電子エミッタに形成する先端部に対
応する部分にスリットを設けることにより,薄膜ヒータ
部分の電気抵抗および熱容量を低減し,他の部分よりも
薄膜ヒータ部分を高温に維持することができ,その分消
費電力を低減する。
【0016】また,コレクタを薄膜状に構成し,該コレ
クタを絶縁薄膜を介して複数層から構成するようにコレ
クタを複数近接させて配置し,複数のコレクタに流れる
電子電流の大きさから外部磁界の大きさ,および,外部
磁界の方向を検出する。
【0017】また,電子エミッタの表面に凸部を設ける
ことにより,機械的強度を増加できる。
【0018】さらに,表面に凹部を形成したシリコン単
結晶チップをカバーとして,凹部を含む領域を微小真空
領域となるように真空封止した構造となし,電子エミッ
タ,ゲート,および,コレクタの電極を絶縁薄膜を介し
て微小真空領域の外部に引き出し,半導体のマイクロマ
シーンニング技術を用いて微細で精度がよい微小真空デ
バイスを容易に大量生産できる。
【0019】また,本発明に係る微小真空デバイスは,
コレクタを導体基板により構成し,コレクタ上に絶縁薄
膜を介してゲート電極を配置し,あるいは,薄膜ヒータ
を電子エミッタとして構成し,ゲート電極内にコレクタ
が露出するように絶縁薄膜に孔を形成し,薄膜ヒータ上
に薄膜状に形成された電子エミッタを孔の中央付近に配
置し,電子エミッタが電子を電界放出するように電子エ
ミッタをゲートに近接配置することにより電子が電界放
出しやすい状態にするか,あるいは,電子エミッタを熱
することにより熱電子を出やすい状態にする。
【0020】また,電子エミッタとコレクタとの間を流
れる電流を,ゲートに印加する電圧により変化させる。
また,孔の中央付近に配置する電子エミッタの先端部を
尖鋭化することにより電界を集中させ,電子放出効率を
向上させる。また,孔の中央付近に配置する電子エミッ
タの先端部を,同一の薄膜ヒータに対し複数個設けるこ
とにより,その部分に電流を多く流すようにする。
【0021】電子エミッタに形成する先端部に対応する
部分にスリットを設けることにより,薄膜ヒータ部分の
電気抵抗および熱容量を低減し,他の部分よりも薄膜ヒ
ータ部分を高温に維持することができ,その分消費電力
を低減する。
【0022】また,電子エミッタの表面に凸部を設ける
ことにより,機械的強度を増加できる。
【0023】また,表面に凹部を形成したシリコン単結
晶チップをカバーとして,凹部を含む領域を微小真空領
域室となるように真空封止した構造となし,電子エミッ
タ,ゲート,および,コレクタの電極を絶縁薄膜を介し
て微小真空領域の外部に引き出し,半導体のマイクロマ
シーンニング技術を用いて微細で精度がよい微小真空デ
バイスを容易に大量生産できる。
【0024】
【実施例1】 〔実施例1〕以下,本発明に係る微小真空デバイスの実
施例を図面に基づいて説明する。図1は,本発明に係る
微小真空デバイスの一実施例を示す斜視図であり,図2
(a)は,図1に示した微小真空デバイスの平面図,図
2(b)は,図2(a)に示した平面図のX−X’断面
図である。
【0025】図1,図2(a),(b)において,10
0はn形シリコンの基板,101はn形シリコンの基板
100表面に形成された酸化シリコン膜,102はコレ
クタ,103はコレクタ102の電極であるコレクタ電
極,104はゲート,105はゲート104の電極であ
るゲート電極,106は薄膜ヒータ兼電子エミッタ,1
07は薄膜ヒータ兼電子エミッタ106の電極である薄
膜ヒータ兼エミッタ電極,108は薄膜ヒータ兼電子エ
ミッタ106および薄膜ヒータ兼エミッタ電極107と
酸化シリコン膜101との間の配置された酸化シリコン
膜,109はゲート104と薄膜ヒータ兼電子エミッタ
106との間に形成される空隙,110は薄膜ヒータ兼
電子エミッタ106の一部に形成された尖鋭化された先
端部,111は該先端部110の後部に設けられたスリ
ットである。
【0026】次に,上記微小真空デバイスの製造方法を
図3に示すフローチャートに基づいて説明する。この実
施例に係る微小真空デバイスは,宙に浮いた構造の薄膜
ヒータを形成し,該薄膜ヒータそれ自体を電子エミッタ
とした場合(薄膜ヒータ兼電子エミッタ電極106)の
例であり,先ず,n形シリコンの基板100表面に約1
μm厚の酸化シリコン膜101を形成し(S1),この
上にチタン(0.05μm厚)とモリブデン(0.2μ
m厚)とをスパッタリング形成し(S2),フォトリソ
グラフィ技術を用いて,ゲート104とコレクタ102
およびこれらの電極であるゲート電極105とコレクタ
電極103とをパターン形成する(S3)。なお,上記
のようにモリブデン層と酸化シリコン膜との間に薄いチ
タン層を挟んだのは,モリブデン層の密着性を向上させ
るためである。ゲート104とコレクタ102との間隔
は,5〜8μm程度とし,図2(a)の平面図における
X−X’線上のゲート104とコレクタ102との長さ
は,10μm程度とする。
【0027】次に,試料表面前面にアルミニウムを0.
3μm厚程度に真空蒸着し(S4),宙に浮いた構造の
薄膜ヒータ兼電子エミッタ106を形成するための犠牲
層として利用する。このためには,宙に浮いた構造の薄
膜ヒータ兼電子エミッタ106を形成する箇所の犠牲層
アルミニウムを,その薄膜ヒータ兼電子エミッタ106
よりも幅広に残し,他の部分のアルミニウムはエッチン
グ除去する。次に,この上に酸化シリコン膜108を
0.3μm厚程度にスパッタリング形成し(S5),さ
らに,その上に薄膜ヒータ兼電子エミッタ106として
のチタン(0.05μm厚)とモリブデン(0.5μm
厚)とをスパッタリング形成する(S6)。
【0028】その後,フォトリソグラフィ技術により,
長さ30μm,幅15μm程度の宙に浮いた構造の薄膜
ヒータ兼電子エミッタ106の部分およびこれらの電極
である薄膜ヒータ兼エミッタ電極107のパターン形成
を行ない,さらに,これらのパターン以外の領域のスパ
ッタリング酸化シリコン膜108のエッチング除去を行
ない(S7),最後に,アルミニウム犠牲層の除去を行
う(S8)。薄膜ヒータ兼電子エミッタ106の先端部
とコレクタ102との間隔は10μm程度とする。フッ
化水素系の酸化シリコン膜108のエッチャントに対し
てアルミニウムのエッチング速度が速いので,このと
き,アルミニウム犠牲層もほとんどエッチング除去さ
れ,薄膜ヒータ兼電子エミッタ106とゲート104の
間は,アルミニウム犠牲層の厚みに相当する極めて狭い
空隙109を持つ宙に浮いた構造の薄膜ヒータ兼電子エ
ミッタ106の部分が形成される。
【0029】アルミニウム犠牲層が残存しやすいとき
は,リン酸系のアルミニウムエッチイング液でアルミニ
ウム犠牲層をエッチング除去するとよい。このリン酸系
のアルミニウムエッチイング液は酸化シリコン膜をエッ
チングしないので,薄膜ヒータ兼電子エミッタ106に
密着している部分のスパッタ酸化シリコン膜108と下
部の酸化シリコン膜101は残存する。なお,モリブデ
ン薄膜は,フッ化水素系の酸化シリコン膜のエッチャン
トには侵されないので,薄膜ヒータ兼電子エミッタ10
6,ゲート104とコレクタ102およびこれらの各電
極部分103,105,107は侵されないで残存す
る。
【0030】また,本実施例では,図1,図2(a)に
示すように,薄膜ヒータ兼電子エミッタ106に電界を
集中させるため,薄膜ヒータ兼電子エミッタ106のコ
レクタ102側に尖鋭化させた先端部110を設ける。
このように薄膜ヒータ兼電子エミッタ106の先端部1
10を尖鋭化させることにより電界が集中しやすく,電
子が電界放出しやすくなる状態が得られる。
【0031】また,エアブリッジに構成されている薄膜
ヒータ兼電子エミッタ106の先端部110に対応する
後部にスリット111を設ける。このように,スリット
111を設けることにより,薄膜ヒータの,この部分に
おける電気抵抗および熱容量を減らし,他の部分より該
部分を高温にする効果があり,その結果,デバイスの消
費電力を減らすことが可能となる。微小真空デバイスに
おける真空領域は小さいため,大きな電力を必要とし,
その結果,真空室の壁を熱することになり,不要なアウ
トガスを壁より放出させ,真空室の真空度が低下し,真
空デバイスとしては好ましくない状態が発生する。この
ため,本実施例では,上記の如くスリット111を設
け,真空室の真空領域を拡大し,小さな電力により駆動
できるように構成したものである。
【0032】図4は,薄膜ヒータ兼電子エミッタ106
の先端部の他の構成を示す説明図であり,この実施例に
あっては,先端部110とスリット111との先端前部
幅aを狭く形成すると共に,先端部110とスリット1
11との先端後部幅bを広く形成し(a<b),先端部
110付近の発熱を特に大きくしたものである。ここ
で,薄膜ヒータは,モリブデン/チタンあるいは白金/
チタンの二重層により構成することもできる。また,金
属は温度が上昇すると伸び垂れ下がるため,これらの金
属製薄膜ヒータの下部には,酸化シリコン膜などの電気
絶縁性を配置し,高融点の固い材料を密着させ,支持す
るのが好ましい。
【0033】図5(a),(b)は,薄膜ヒータ兼電子
エミッタ106の先端部の他の構成を示す説明図であ
り,この実施例にあっては,先端部110の下部には酸
化シリコン膜を除去した状態に形成されている。このよ
うな構成にすることにより,薄膜ヒータ兼電子エミッタ
106の先端部110に密着した酸化シリコン膜がない
ので,特に,この部分の温度が上昇しやすく,薄膜ヒー
タの低消費電力化を図ることができる。
【0034】図6は,電子エミッタの部分の他の構成を
示す斜視図であり,図において,106aは薄膜ヒー
タ,106bは電子エミッタである。上記実施例にあっ
ては,は薄膜ヒータ兼電子エミッタ106として薄膜ヒ
ータと電子エミッタを一体成形していたが,図6に示し
た実施例にあっては,薄膜ヒータ106aの上に電子エ
ミッタ106bを形成している。また,ここで,電子エ
ミッタ106bは仕事関数の小さな酸化バリウムあるい
は酸化トリウムのスパッタ膜を用いている。以上の構成
において,白金/チタンより構成される薄膜ヒータ10
6aによって,例えば,酸化バリウムにより構成された
電子エミッタ106bが熱せられると,電子エミッタ1
06bの方が仕事関数が小さいため,コレクタ102に
正の電圧を印加したときは,図示した矢印方向に電子エ
ミッタ106bから電子が電界放出される。
【0035】〔実施例2〕図7は,本発明に係る微小真
空デバイスの他の実施例を示す斜視図であり,図8
(a)は,図7に示した微小真空デバイスの平面図,図
8(b)は,図8(a)に示した平面図のY−Y’断面
図である。
【0036】図7,図8(a),(b)において,70
1は石英により構成される基板,702はコレクタ,7
03はコレクタ702の電極であるコレクタ電極,70
4はゲート,705はゲート704の電極であるゲート
電極,706は薄膜ヒータ兼電子エミッタ,707は薄
膜ヒータ兼電子エミッタ706の電極である薄膜ヒータ
兼エミッタ電極,708は薄膜ヒータ兼エミッタ電極7
07と基板701との間に配置されたモリブデン/チタ
ン膜,709はゲート704と薄膜ヒータ兼電子エミッ
タ706との間に形成される空隙,710a,bは薄膜
ヒータ兼電子エミッタ106の一部に形成され,尖鋭化
された先端部,711a,bは該先端部710a,bの
後部に設けられた各々先端部710a,bに対応するス
リットである。
【0037】次に,薄膜ヒータ兼エミッタ電極707と
基板701との間の配置されたモリブデン/チタン膜7
08について説明する。このように,薄膜ヒータ兼電子
エミッタ706の電極部分が二重構造(薄膜ヒータ兼エ
ミッタ電極707とモリブデン/チタン膜708)に構
成されており,上記モリブデン/チタン膜708は,チ
タンの薄い層上にモリブデン薄膜を重ねた構造であり,
このチタンは基板701との密着性を向上させる。ま
た,モリブデン/チタン膜708の上部にある薄膜ヒー
タ兼エミッタ電極707は,例えば,白金/チタンある
いはインジウム錫酸化物(ITO)等により構成する。
この場合,上記モリブデン/チタン膜708は,微小真
空デバイスの製作工程上,ゲート電極705,コレクタ
電極703の電極材料となる。
【0038】次に,コレクタ702の構成について説明
する。コレクタ702は,図7,図8(b)に示すよう
に,第1のコレクタ702aと第2のコレクタ702c
が電気絶縁薄膜層702bを介して層状に構成されてい
る。この構成によれば,薄膜ヒータ兼電子エミッタ70
6から放出される電子線が被検出磁場によるローレンツ
力により一対のコレクタ702a,702cのうち,一
方に多く捕集され,コレクタ702a,702cを流れ
る電流変化から磁場を検出することができる。
【0039】さらに,詳細に説明する。微小真空デバイ
スにおけるコレクタ702を,例えば,0.2μm厚程
度のスパッタリングやCVDなどによる酸化シリコン膜
などの電気絶縁薄膜層702bを挟んで二重層に形成し
ておき,電子放出させれば,この微小真空デバイスを高
感度の磁気センサとして利用することができる。薄膜ヒ
ータ兼電子エミッタ706と近接配置した二つのコレク
タ702a,702cに向かう電子ビームに垂直で,か
つ,二つのコレクタ702a,702c層に平行である
磁界成分は,ローレンツ力によりどちらかのコレクタに
多く電子ビームが集まるように偏向するので,二つのコ
レクタ702a,702cを流れる電流を比較すれば,
磁界の大きさおよびその向きまで検出することができ
る。その結果,高感度高速応答の超小型磁気センサを得
ることができる。
【0040】図9は,上記図7,図8(a),(b)に
係る微小真空デバイスを磁気センサに応用した例を示す
具体的な回路図であり,図において,2つのコレクタ7
02aと702cに流れる電流I1 ,I2 の大きさを差
動増幅器1301により差動増幅する。電流I1 ,I2
のうちどちらが大きいかにより磁場Bの向きが検出で
き,さらに,電流I1 ,I2 の差の大きさから磁場Bの
大きさが検出できる。
【0041】また,この実施例に係る薄膜ヒータ兼電子
エミッタ706には,その一部に2個の尖鋭化された先
端部710a,710bが形成されている。これは:1
個の先端部が形成されているものに比較して,2個の先
端部710a,710bに電子電流が多く流れるように
したものである。また,図8(b)に示すように先端部
710a,710bの下部におけるブリッジを支持する
ための窒化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜が除去さ
れているので,熱容量が小さく,高温になりやすいの
で,消費電力が少なくて済むという効果がある。
【0042】〔実施例3〕図10(a),(b)は,本
発明に係る微小真空デバイスの他の実施例を示す斜視図
であり,図10(a)は,微小真空デバイスの平面図,
図10(b)は,図10(a)に示した平面図のZ−
Z’断面図である。
【0043】図10(a),(b)において,900は
n形シリコンの基板,901はn形シリコンの基板90
0表面に形成された酸化シリコン膜,904はリング状
のゲート,905はゲート904の電極であるゲート電
極,906は薄膜ヒータ兼電子エミッタ,907は薄膜
ヒータ兼電子エミッタ906の電極である薄膜ヒータ兼
エミッタ電極,908は薄膜ヒータ兼電子エミッタ90
6および薄膜ヒータ兼エミッタ電極907と酸化シリコ
ン膜901との間の配置された窒化シリコン薄膜,90
9はゲート904と薄膜ヒータ兼電子エミッタ906と
の間に形成される空隙,910は薄膜ヒータ兼電子エミ
ッタ106の一部に形成された尖鋭化された先端部,9
11は該先端部910の後部に設けられたスリット,9
12はゲート904,酸化シリコン膜901,n形シリ
コンの基板900を通して設けられた孔,913は孔9
12に配置されたコレクタとしての白金シリサイドであ
る。なお,孔912の直径は相対的に小さい方が電界集
中のためによく,2μm程度に形成される。
【0044】次に,動作について説明する。この実施例
は,n形シリコン基板900をコレクタ電極として利用
する微小真空デバイスの例であり,リング状のゲート9
04への薄膜ヒータ兼電子エミッタ906に対する印加
電圧を変化させることにより,薄膜ヒータ兼電子エミッ
タ906からの電子の引き出し量を変化させるので,三
極真空管として機能することができる。ここでは,上記
ゲート904は薄膜ヒータ兼電子エミッタ906からの
電子引出電極として機能している。
【0045】この実施例における特徴は,第1に,電子
エミッタがヒータとして構成されていること,第2に,
コレクタに低抵抗となりえる金属シリサイド(本実施例
では,白金シリサイドを使用している)使用しているこ
と,第3に,ゲート電極形成時に,その下部の白金シリ
サイドのコレクタ電極がセルフアライメントにより形成
できることである。これは,例えば,ゲート電極905
用の白金を電子ビーム蒸着形成したときに,孔912の
周囲の酸化シリコン膜901がオーバーハングの状態に
なっており,上記のゲート電極と下部(孔912の内部
の)白金シリサイド913のコレクタとは導通しないよ
うに形成できることによる。
【0046】〔実施例4〕図11は,本発明に係る微小
真空デバイスの他の実施例を示す斜視図であり,図12
(a)は,図11に示した微小真空デバイスの平面図,
図12(b)は,図12(a)に示した平面図のW−
W’断面図である。図1および図2(a),(b)に示
した構成と同じ部分は同一の番号を用いて示し,その説
明を省略する。
【0047】上記実施例では,宙に浮いた構造の金属
(モリブデン/チタン)からなる薄膜ヒータ兼電子エミ
ッタ106の機械的強度を増加させるために,スパッタ
リング形成した酸化シリコン膜108をその下部に形成
してあるが,熱電子・電界放出形の電子エミッタとして
用いる場合は,1000℃以上に昇温させる必要がある
ので,スパッタリング形成した酸化シリコン膜108の
代わりに,例えば,酸化アルミニウム膜などの高融点絶
縁薄膜層を用いるか,あるいは,これらの絶縁薄膜層を
始めから用いずに金属(モリブデン/チタン)からなる
薄膜ヒータ兼電子エミッタ106だけとし,その代わり
機械的強度を増加させるために,宙に浮いた構造部分に
波形トタンのような凹凸を形成し,実効的な厚みを持た
せるようにすればよい。
【0048】図11,図12(a),(b)を用いて,
詳細に説明する。図において,1001は薄膜ヒータ兼
電子エミッタ106に設けられた凸部である。このよう
な凸部を薄膜ヒータ兼電子エミッタ106に設けること
により薄い薄膜ヒータであってもたわみの発生が抑制さ
れる。このため,ゲート104と薄膜ヒータ兼電子エミ
ッタ106との間隔(0.5μm程度)を保持すること
が可能となり,より薄く構成することが可能となり,ヒ
ータの消費電力をより少なくすることができる。
【0049】次に,図1,図2(a),(b)に示した
微小真空デバイスを例にとって真空室の形成について図
13に基づいて説明する。以上のように形成された薄膜
ヒータ兼電子エミッタ106,ゲート104,コレクタ
102をもつ微小デバイスを10-6Torrの真空封止
し,微小真空デバイスとして形成する。薄膜ヒータ兼電
子エミッタ106に電流を流して約300度に熱し,薄
膜ヒータ兼電子エミッタ106に対してゲート104が
正になるように約50Vを印加し,さらに,ゲート10
4に対してコレクタ102が正の約20Vになるように
電圧を印加すれば,薄膜ヒータ兼電子エミッタ104と
コレクタ102間には,安定的に約1μAの電流が流
れ,安定した状態において電子エミッタとして動作させ
ることができる。
【0050】超小型の真空室を形成するために,例え
ば,シリコンチップ1201にエッチングにより凹部1
202を形成し,これをキャップにして,真空中(10
-6Torr程度)で封止する。電極などの凸凹はある
が,CVDなので,封止する箇所には電気絶縁膜(例え
ば,酸化シリコン膜や窒化シリコン膜)1203を1μ
m厚にカバーしておき,ニッケルスパッタリング後低溶
点金属(例えば,スズ,鉛)でニッケル膜上に凸凹が埋
まる程度の厚みに真空蒸着等により形成しておき,さら
に,キャップ側も同様に接合面(封止の周囲の面)に金
属化して,真空中において昇温して封止する。
【0051】以上説明したように,上記各実施例にあっ
ては,真空中に配置した電子エミッタ,ゲート,およ
び,コレクタのうち,電子エミッタを宙に浮いた状態の
薄膜ヒータ上に薄膜状に形成するか,あるいは,該薄膜
ヒータそのものとして構成し,ゲートは,電子エミッタ
に空隙をおいて近接配置させた構造であり,半導体のマ
イクロマシーンニング技術を用いて容易に形成できる。
【0052】また,電子エミッタを宙に浮いた構造の薄
膜ヒータに形成したため,薄膜ヒータの熱容量を小さく
できると共に熱コンダクタンスを小さくでき,小さな消
費電力で大きな温度上昇を得ることができる。
【0053】なお,薄膜ヒータは,外部から光照射など
により熱してもよいが,電流を流しジュール加熱しても
よい。電界放出形にしても,熱電子・電界放出形にして
も,電子エミッタの仕事関数が小さい方が電子放出しや
すいので,仕事関数の小さい酸化バリウムや酸化トリウ
ムなどの酸化物を薄膜ヒータ上に薄膜形成して,これを
電子エミッタとして用いてもよい。宙に浮いた構造の薄
膜ヒータに形成した電子エミッタのコレクタ側の先端
は,上記の如く,薄膜でありながらも尖形にしたほう
が,電界が集中し電子放出効率がよくなる。
【0054】加えて,宙に浮いた構造の電子エミッタの
尖形部付近にのみ,1μm以下の空隙を挟んでゲートを
形成したほうが,電子エミッタとゲートとの耐圧の観点
から好ましい。
【0055】
【発明の効果】以上説明したように,本発明に係る微小
真空デバイスは,電子エミッタ表面を熱し,吸着ガス等
を放出させて活性化させることにより,電子が電界放出
しやすい状態にするか,あるいは,電子エミッタを熱す
ることにより,熱電子が出やすい状態にして電界放出さ
せることにより,比較的低真空であっても電子放出特性
を向上させ,電源電圧を比較的小さくすることができ
る。
【0056】また,半導体のマイクロマシーンニング技
術を用いて形成できるようにし,微細で精度がよい宙に
浮いた構造の薄膜ヒータを持った電子エミッタを有する
微小真空デバイスを容易に大量生産可能にすることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る微小真空デバイスの構成を示す斜
視図である。
【図2】図1に示した微小真空デバイスの平面図(a)
と断面図(b)である。
【図3】図1に示した微小真空デバイスの製造工程を示
すフローチャートである。
【図4】図1に示した薄膜ヒータ兼電子エミッタの他の
形状を示す説明図である。
【図5】図1に示した薄膜ヒータ兼電子エミッタの他の
形状を示す平面図(a)と断面図(b)である。
【図6】図1に示した薄膜ヒータ兼電子エミッタの他の
形状を示す説明図である。
【図7】本発明に係る微小真空デバイスの他の構成を示
す斜視図である。
【図8】図7に示した微小真空デバイスの平面図(a)
と断面図(b)である。
【図9】図7に示した微小真空デバイスを磁気センサに
応用した場合を示す回路図である。
【図10】本発明に係る微小真空デバイスの他の構成を
示す平面図(a)と断面図(b)である。
【図11】本発明に係る微小真空デバイスの他の構成を
示す斜視図である。
【図12】図11に示した微小真空デバイスの平面図
(a)と断面図(b)である。
【図13】図1に示した微小真空デバイスを真空封止し
た状態を示す説明図である。
【符号の説明】
100,701,900 基板 101,901 酸化シリコン膜 102,702, コレクタ 103,703 コレクタ電極 104,704,904 ゲート 105,705,905 ゲート電極 106,706,906 薄膜ヒータ兼電子エミッタ 107,707,907 薄膜ヒータ兼エミッタ電極 108,酸化シリコン膜 109,709,909 空隙 110,710,910 先端部 111,711,911 スリット 708 モリブデン/チタン膜 908 窒化シリコン薄膜 912 孔 913 白金シリサイド 1001 凸部 1201 シリコンチップ 1202 凹部 1203 電気絶縁膜 1301 差動増幅器

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空中に配置した電子エミッタ,ゲート
    およびコレクタを有する微小真空デバイスにおいて,前
    記電子エミッタを宙に浮いた状態の薄膜ヒータ上に薄膜
    状に形成し,前記電子エミッタが電子を電界放出するよ
    うに空隙を介して前記電子エミッタを前記ゲートに近接
    配置したことを特徴とする微小真空デバイス。
  2. 【請求項2】 前記ゲートに近接配置する電子エミッタ
    の先端部を尖鋭化することを特徴とする請求項1記載の
    微小真空デバイス。
  3. 【請求項3】 前記ゲートに近接配置する電子エミッタ
    の先端部を,同一の薄膜ヒータに対し複数個設けたこと
    を特徴とする請求項1記載の微小真空デバイス。
  4. 【請求項4】 前記コレクタを複数近接させて配置し,
    前記複数のコレクタに流れる電子電流の大きさから外部
    磁界の大きさ,および,外部磁界の方向を検出すること
    を特徴とする請求項1記載の微小真空デバイス。
  5. 【請求項5】 前記コレクタを薄膜状に構成することを
    特徴とする請求項4項記載の微小真空デバイス。
  6. 【請求項6】 前記コレクタが,絶縁薄膜を介して複数
    層から構成されていることを特徴とする請求項5記載の
    微小真空デバイス。
  7. 【請求項7】 真空中に配置した電子エミッタ,ゲート
    およびコレクタを有する微小真空デバイスにおいて,前
    記コレクタを導体基板により構成し,前記コレクタ上に
    絶縁薄膜を介してゲート電極を配置し,前記ゲート電極
    内に前記コレクタが露出するように前記絶縁薄膜に孔を
    形成し,薄膜ヒータ上に薄膜状に形成された電子エミッ
    タを前記孔の中央付近に配置し,前記電子エミッタが電
    子を電界放出するように前記電子エミッタをゲートに近
    接配置したことを特徴とする微小真空デバイス。
  8. 【請求項8】 前記孔の中央付近に配置する電子エミッ
    タの先端部を尖鋭化することを特徴とする請求項7記載
    の微小真空デバイス。
  9. 【請求項9】 前記孔の中央付近に配置する電子エミッ
    タの先端部を,同一の薄膜ヒータに対し複数個設けたこ
    とを特徴とする請求項7記載の微小真空デバイス。
  10. 【請求項10】 前記薄膜ヒータを前記電子エミッタと
    して構成することを特徴とする請求項1または7記載の
    微小真空デバイス。
  11. 【請求項11】 前記電子エミッタと前記コレクタとの
    間を流れる電流を,前記ゲートに印加する電圧により変
    化させることを特徴とする請求項1または7記載の微小
    真空デバイス。
  12. 【請求項12】 前記電子エミッタに形成する先端部に
    対応する部分にスリットを設けることを特徴とする請求
    項1または7記載の微小真空デバイス。
  13. 【請求項13】 前記電子エミッタの表面に凸部を設け
    たことを特徴とする請求項1または7記載の微小真空デ
    バイス。
  14. 【請求項14】 表面に凹部を形成したシリコン単結晶
    チップをカバーとして,前記凹部を含む領域を微小真空
    領域となるように真空封止し,前記電子エミッタ,ゲー
    ト,および,コレクタの電極を絶縁薄膜を介して前記微
    小真空領域の外部に引き出すように構成したことを特徴
    とする請求項1または7記載の微小真空デバイス。
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